Wie beeinflusst Wurzelschleim die bodenmechanischen Eigenschaften und den Eindringwiderstand beim Wurzelwachstum?

• Antragsteller: Professor Dr. Harry Vereecken, seit 4/2022
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439374140

Das Wurzelsystem ist für Pflanzen notwendig, um sie im Boden zu verankern, aber auch um sie mit ausreichend Nährstoffen und Wasser zu versorgen. Das Wurzelsystem wurde von Pflanzenzüchtern als ein wichtiges Merkmal identifiziert, um auch bei kritischen Bodenbedingungen den Ernteertrag zu vergrößern. Zur Optimierung des Wurzelwachstums ist es hilfreich die dafür relevanten physikalischen Prozesse im Boden zu verstehen. In den vergangenen Jahrzehnten konnten einige Studien zeigen, dass das Wurzelwachstum negativ mit dem Eindringwiderstand des Bodens korreliert, und es wurde untersucht, wie mechanische Eigenschaften des Bodens durch bodenphysikalische Eigenschaften, wie Verdichtung, Bodentyp und Textur, sowie Wassergehalt beeinflusst werden. Nicht nur chemische, hydraulische und biologische Prozesse, sondern auch mechanische Bodeneigenschaften werden durch Wurzelexsudate verändert. Jedoch fehlt uns nach wie vor ein grundlegendes Verständnis und eine passende Theorie der Mechanismen, wie Wurzelexsudate den Eindringwiderstand des Bodens beeinflussen. Ziel dieses Projektes ist es, mit experimentellen, bildgebenden und numerischen Methoden diese Lücke zu schließen, damit später ausgehend von Informationen über physikalisch-chemische Eigenschaften des reinen Wurzelschleims Rückschlüsse auf deren Einfluss auf boden-mechanische Eigenschaften gezogen werden können, um daraus den Eindringwiderstand beim Wurzelwachstum einer Pflanzenart in einem Boden besser abschätzen zu können. Wir vermuten, dass Wurzeln aktiv die mechanischen Eigenschaften der Rhizosphäre durch ihre Wurzelexsudate verändern, genauer erwarten wir, (a) dass Mucilage die Bodenstabilität je nach ihrer Konzentration, Herkunft, Typ, und chemischer Zusammensetzung erhöhen kann; (b) dass Wurzelschleim große Mengen an Wasser absorbieren und dadurch lokal einen höheren Wassergehalt herbeiführen kann, was an sich eher eine Reduktion des Eindringwiderstandes bewirken würde; (c) weiterhin vermuten wir, dass die Art, wie die beiden Mechanismen (a) und (b) wechselwirken und gemeinsam den Eindringwiderstand kontrollieren, stark vom Bodentyp, Textur, Bodenwassergehalt, Mucilagetyp, Konzentration und Exsudationsrate abhängt.Um diese Vermutungen zu untersuchen und um die zugrunde liegenden Prozesse besser zu verstehen, planen wir Experimente, bei denen wir rheologische Eigenschaften messen. Wir werden analytische Näherungen, numerische Modellierung und bildgebende Verfahren kombinieren, um eine bessere Abschätzung des Eindringwiderstandes, der plastischen Deformationszone und der Verdichtungszone, die beim Wurzelwachstum entstehen, zu entwickeln. Wir möchten dann die numerischen und theoretischen Ergebnisse des Eindringwiderstandes experimentell an echten Wurzeln von Keimlingen unter verschiedenen Bodenbedingungen überprüfen.Damit möchten wir über das Projekt hinaus zu der weit größeren Frage, welche Mechanismen Pflanzen nutzen könnten, um auf kritische Umwelteinflüsse zu reagieren, beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr. Eva Kröner, bis 3/2022