Bevezetés

A mezőgazdaság a várható klímaváltozás kedvezőtlen hatásainak egyik leginkább kitett gazdasági ágazat. A növénytermesztés eredményessége alapvetően befolyásolja az élelmiszer-előállítás biztonságát, ezért stratégiai cél a kedvezőtlen hatások okozta veszteségek elkerülése vagy mérséklése. Az MTA Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézetében – Európa egyik legnagyobb fitotronjában és szántóföldi tenyészkertjeiben – végzett kísérletek eredményeire alapozva több mint két évtizede foglalkozunk a klímaváltozás várható hatásainak alap- és alkalmazott kutatásával, azok mértékének meghatározásával, alkalmazkodóképes fajták előállításával.

Magyarország földrajzi fekvése és természeti adottságai a térség medence jellegéből adódóan növelik a termelés eredményességének bizonytalanságát. Az ország klímája három klímazóna (atlanti, mediterrán, kontinentális) határán helyezkedik el, így az időjárás attól függően alakul, hogy mely hatás kerül túlsúlyba. A szélsőségesebbé váló időjárás közvetlen hatásai további kockázatnövekedést jelentenek a növénytermelés, a talajállapot és az állattenyésztés vonatkozásában is. Növeli a sérülékenységet és csökkenti a produktivitást. Az időjárás változékonysága és szélsőségekre való hajlama miatt nem jelent megoldást az ország egyes tájait célzó, eltérő környezeti igényű fajták nemesítése és köztermesztésbe történő bevezetése. Olyan fajtákra van szükség, melyek optimális feltételek között nagy termést adnak, de kedvezőtlenebb körülmények között is képesek megfelelő temésszintek elérésére, mivel a szárazodás és a csapadékcsökkenés minden mezőgazdasági területet érint és érinteni fog.

A mezőgazdasági termelés hatékonyságát és jövedelmezőségét a mikro- és makrogazdasági környezet határozza meg, melyhez a termelők a megfelelő gazdasági stratégia megválasztásával tudnak alkalmazkodni. A szántóföldi növénytermesztés során különösen fontos a terület adottságaihoz leginkább alkalmazkodni képes fajta kiválasztása, a megfelelő termesztéstechnológia alkalmazása, mely az agrotechnika elemeinek okszerű megválasztásán túlmenően magában foglalja a megfelelő vetésszerkezet kialakítását is. A termelés sikerességét alapjaiban meghatározó környezeti, időjárási hatások jelentős részére fel lehet készülni, lehet hozzájuk alkalmazkodni és csökkenteni lehet az ebből eredő károkat.

Meghatározó tényező a víz

Az egyik legnagyobb kihívás, mellyel a jövő mezőgazdaságának szembe kell néznie, az, hogy a folyamatosan növekvő népességet el kell látni élelemmel, miközben ehhez egyre csökkenő vízkészletek állnak rendelkezésre (Pask – Reynolds, 2013). Az előrejelzett trendek alapján – Európában különösen a kontinens déli és középső részén – melegebb és szárazabb nyarak várhatók (IPCC, 2007), és ez az aszály egyre gyakoribb kialakulásához vezethet (Lehner et al., 2006). A magas hőmérséklettel párosuló aszályhelyzetekből és az egyéb időjárási extremitásokból eredően növekedhet a termésátlagok variabilitása (Jones et al., 2003) és jelentősen csökkenhet a potenciális termésmennyiség elérésének valószínűsége (Trnka et al., 2004). A hőmérséklet-emelkedés várhatóan módosítja – a kalászosoknál jellemzően lerövidíti – a tenyészidőszak hosszát, ami a termésmennyiség csökkenése mellett a felhasznált vízkészletek hasznosulását is megváltoztathatja.

A deficites vízháztartás a legjobb agroökológiai körzeteinket (Mezőföld, Dunamenti-síkság, Hajdú-ság, Bácskai-hátság stb.) is érintheti. Magyarország területe már ma is aszályveszélyeztetett. Az éghajlatváltozás elemei közül a legnagyobb kárt az aszály okozza (száz évből huszonnyolc aszályos). Az elmúlt másfél évtizedben az összes elemi csapásból származó káron belül az aszály több mint 42%-os részarányt tett ki.

Mivel Magyarország területének legnagyobb hányadán a talajban raktározott vízzel kell gazdálkodni, a növénytermesztőknek a víztakarékos agrotechnikai eljárások mellé a vízkészleteket jól hasznosító fajtákra van szükségük. A növények vízforgalmának a teljes tenyészidőszakot lefedő vizsgálata eddig komoly nehézségekbe ütközött. Napjainkban azonban egy in situ gyökérszkenner műszerrel üvegházi modellkísérletben és szántóföldi körülmények között is nyomon követhető a gyökérrendszer fejlődése és annak lebomlása (1. kép). Az eszközzel készített felvételek szoftverrel elemezhetők, a gyökerek hossza, átmérője, térfogata számszerűsíthető, az elágazások száma és struktúrája jellemezhető.

1. kép • A CI-600 típusú gyökérszkenner

és a talajba helyezett mérőtubus

A növényi vízforgalmat a következő évtizedekben jelentősen befolyásolhatja a légkör növekvő CO₂-koncentrációja is. A CO₂ emelkedő koncentrációja számos negatív következménnyel járó folyamatot generál, de a nagyobb koncentrációban rendelkezésre álló CO₂ a növények számára tápanyagforrást jelent, mivel ez a fotoszintézis egyik alapanyaga. Azon túl, hogy kedvezőbb tápanyag-hozzáférést jelent a növények számára, a CO₂ szerepet játszik többek közt az abiotikus stresszhatások, így a vízhiány terméscsökkentő hatásának mérséklésében is (Varga – Bencze, 2009).

A nemesítők az elmúlt évtizedekben a különböző hatású törpeség gének genomba történő beépítésével elérték, hogy a jelenleg termesztett búzafajták növénymagassága átlagosan 90–100 cm közötti legyen. Ennek eredményeként a fajták állóképessége jelentősen javult, azonban a föld feletti biomassza mennyiségének csökkenése kedvezőtlenül hathat a stressztűrő képességre. A kisebb biomassza kedvező hatású a vízhasznosítás hatékonyságának szempontjából, viszont ezek a gének feltehetően a gyökérfejlődésre is hatással vannak, ami vízhiányos környezetben akadályozhatja a limitált vízkészletek felvételét.

A 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0064 számú TÁMOP-pályázat támogatásával megvalósult kutatásainkban modellkísérletek eredményei alapján meghatároztuk az őszi búza vízfelvétele és a termésképződése tekintetében fontos periódusaiban jelentkező aszályhelyzetek hatását a növények vízfelvételének dinamikájára és a vegetációs periódusban felhasznált vízmennyiség hasznosulására. Elemeztük a különböző vízellátási szinteknek a kalászosok gyökérfejlődésére, továbbá annak irányára és mértékére gyakorolt hatását. A vízhasznosító képességgel párhuzamosan megvizsgáltuk a különböző törpeség géneket hordozó fajták gyökérfejlődését, valamint meghatároztuk a törpeség gének és a produkcióbiológiai tulajdonságok interakcióit. Vizsgálatokat folytattunk annak meghatározására is, hogy a különböző szintekre emelt légköri CO₂-koncentráció hogyan módosítja a vízforgalmi paraméterek alakulását.

Kutatáshoz használt anyagok és módszerek

A vízhasznosító képesség meghatározásához öt őszi búza (Triticum aestivum L.) genotípust (Mv Toborzó /TOB/; Mv Mambó /MAM/; Bánkúti 1201 /BKT/; Plainsman V /PLA/ és Cappelle Desprez /CAP/) vizsgáltunk üvegházi modellkísérletben az MTA Agrártudományi Kutatóközpont Mezőgazdasági Intézetben, Martonvásáron. Ezek közül a Plainsman V fajta szárazságtűrő, míg a Cappelle Desprez fajta a szárazságra érzékeny kontrollként szerepelt. A Bánkúti 1201 régi magyar fajta, az Mv Toborzó a martonvásári fajtaszortiment legkorábban érő tagja, míg az Mv Mambó egy keményszemű, nagy termőképességű fajta, mely már több korábbi kísérletben bizonyította kiváló stressztoleranciáját (Varga et al., 2012; Varga et al., 2013). A negyvenkét napos vernalizációt követően tízliteres tenyészedényekbe nyolc növényt ültettünk. A növényeket hetente háromszor súlyra öntöztük, a tápanyag-utánpótlást hetente végeztük a szárazságstressz kezdetéig Volldünger komplex műtrágyával. A vízhiányt a szárba induláskor és kalászoláskor szimuláltuk, hét–tíz napig tartó teljes vízmegvonással. A tenyészedények talajának víztartalmát a szántóföldi vízkapacitás 60%-os szintjére állítottuk be, és a kontrollkezelésben a teljes tenyészidőszakban ezen a szinten tartottuk, mely 20–25 v/v %-os víztartalomnak felelt meg. A talaj víztartalma a stresszkezelés végére 3–5 v/v %-ra csökkent. A stresszállapot elérését követően a teljes érésig optimális szinten adagoltuk a vizet. A tenyészedények tömegét kétnaponként mértük, így határoztuk meg a vízfelhasználást két öntözés közötti időszakban. Az evaporáció kiküszöbölésére a tenyészedények talaját PVC-fóliával borítottuk. Az érést követően elvégeztük a teljes növény analízist, minden kezelésben három ismétlésben. Meghatároztuk a tenyészedényekben felnevelt növények összes szemtermését, valamint

kiszámítottuk a tenyészidőszak kumulált vízfogyasztását. A transzspirációs produktivitást (WUE, kg/m3) a szemtermés és a vízfogyasztás hányadosaként számítottuk. A növénynevelést három azonos módon beállított üvegházi kamrában végeztük, eltérést csak a légköri CO₂-koncentráció jelentett, melyet 400, 700 és 1000 ppm-re állítottunk be.

A gyökérfejlődés vizsgálatához három őszi búza genotípust használtunk, melyeket a génkészletükben található különböző törpeség gének alapján választottunk ki (Mv Karéj Rht1; Mv Karizma Rht2; Mv Pálma Rht8). A növényeket a szántóföldi kísérletekben használatos sortávolságra és tőszámmal 1 m³ térfogatú tenyészedényekbe ültettük, a tenyészedényt egy vízszigetelő réteggel két azonos méretű részre választottuk szét. A tenyészedény egyik oldalán a teljes tenyészidőszakban optimális vízellátást biztosítottunk, míg a másik felében a kalász hasban fejlődési fázisig a növények 70%-kal csökkentett vízadagot kaptak. A kalászolást megelőzően a stresszkezelt növények vízellátását is helyreállítottuk azzal a céllal, hogy megállapítsuk, a növény gyökerének fejlődése hogyan változik az aszályt követően csapadékosabbra forduló időjárás esetén. A talajfelszínnel párhuzamosan 30 cm, 60 cm és 90 cm mélységben átlátszó falú mérőtubusokat helyeztünk el mindkét kezelésben. A növények gyökérfejlődését hetente mértük a különböző talajszinteken CI-600 típusú gyökérszkennerrel. A módszerrel roncsolásmentesen mérhető a gyökerek hossza és átmérője. A szkennerrel elkészített felvételeket RootSnap szoftverrel értékeltük.

Vízhasznosító képesség meghatározása

A teljes tenyészidőszakban optimális vízellátás mellett nevelt növényállományban az Mv Mambó és Mv Toborzó fajták WUE értéke a légköri CO2-koncentráció emelkedésével párhuzamosan nőtt. A Bánkúti 1201-es és a Plainsman V fajtáknál már 700 ppm koncentráción is jelentősen nagyobb WUE-értékeket mértünk, mint 400 ppm mellett, azonban a koncentráció további növelésének már statisztikailag igazolható hatása nem volt a WUE értékeire (1. ábra). Eredményeink alapján megállapítható, hogy a búza genotípusok vízhasznosító képessége a légköri CO₂-koncentráció növekedésének hatására javul, de ennek mértéke és dinamikája genotípusfüggő.

A szárbaindulás időszakában alkalmazott vízmegvonás jellemzően csökkentette a WUE-értékeket a kontrollkörülmények között nevelt növényekéhez viszonyítva, azonban jelentős különbségeket tapasztaltunk a CO₂-koncentráció függvényében (2. ábra). Az optimális szinten öntözött állományhoz viszonyítva a legkisebb mértékű WUE-csökkenést 700 ppm koncentráción mértük.

A szárbainduláskor alkalmazott stressz hatására az Mv Mambó, Plainsman V és Mv Toborzó fajtáknál a magasabb légköri CO₂-koncentráció kedvezőbb vízhasznosítást eredményezett. A Bánkúti 1201-es fajtánál a CO₂ koncentrációjának nem volt kimutatható hatása, míg a Cappelle Desprez fajtánál – hasonlóan a kontrollállományhoz – jelentős WUE-csökkenést tapasztaltunk 1000 ppm koncentráción (2. ábra).

Az érés időszaka alatt alkalmazott vízmegvonás a Plainsman V és Mv Toborzó fajtáknál egyik CO2-koncentráción sem módosította a WUE értékét a kontrollállományhoz képest. Ez azt jelentette, hogy a termésmennyiséggel arányosan csökkent a vízfelhasználás (3. ábra).

Az Mv Mambó kivételével – melynek eleve magas volt a transzspirációs produktivitása – minden fajtánál az emelt légköri CO₂-koncentráció kedvezőbb WUE-értékeket eredményezett az éréskor vízmegvonással kezelt állományokban, mint 400 ppm koncentráción. Eredményeink arra engednek következtetni, hogy a légkör emelkedő CO₂-koncentrációja kedvezően befolyásolhatja a búzafajták transpirációs produktivitását a vízellátás szintjétől függetlenül, azonban a fajták CO₂-reakciói között jelentős különbségek lehetnek.

Tapasztalataink alapján a rövid tenyészidejű fajták vízhasznosító képességét a fejlődés korai fázisában jelentkező vízhiányos állapot csökkentette a legnagyobb mértékben, a hosszú tenyészidejű genotípusoknál ezzel szemben a kalászoláskor, valamint a szemtelítődés időszakában bekövetkező vízhiányos állapot következményei voltak súlyosabbak (4. ábra).
A növények által felvett víz szemtermésbe történő hatékony beépítése kiemelkedő jelentőségű, hiszen a cél a rendelkezésre álló – sok esetben limitált – vízkészletekből a lehető legtöbb piacképes termék előállítása. Amellett hogy a modern fajtáknak jó vízhasznosító képességgel kell rendelkezniük, fontos hogy a vízfelhasználás hatékonysága stabil maradjon az optimálistól eltérő környezeti feltételek között is. Ha a szemtermés a szárazság hatására csökken, akkor az a kedvező, ha a felhasznált vízmennyiség is arányosan csökken, mint ahogy azt az Mv Toborzónál megfigyeltük. Kedvezőtlen, ha a vízfogyasztás nem, csupán a szemtermés csökken például a Bánkúti 1201 fajtánál, mert ilyen esetekben nem csupán a termésveszteségből adódó károkkal kell számolni, hanem a talaj vízkészleteinek további jelentős csökkenése is fokozhatja az aszály negatív következményeit.

Gyökér növekedésének in situ vizsgálata

A fajták gyökértömegében optimális vízellátás mellett is jelentős eltéréseket mértünk, de a különbség általában nagyobb volt aszályos körülmények között. A vízmegvonás jellemzően fokozott gyökérfejlődést indukált, különbség ennek mértékében volt, valamint abban, hogy a talaj melyik rétegében zajlott. Az Mv Karizma, mely szántóföldi kísérletekben is bizonyította jó stressztűrő képességét, jellemzően fejlettebb gyökérzettel rendelkezett még optimális vízellátás mellett is, mint a másik két fajta. A stresszkezelt, majd újra öntözött állományban (2. kép, 5. és 6. ábra) az Mv Karizmánál tapasztaltunk a talaj felső régiójában a fokozott gyökérfejlődést.

Az általunk használt mérőrendszert úgy alakították ki, hogy szántóföldi körülmények között is használható legyen. Erre a célra 1,8 méter hosszúságú mérőtubusok állnak rendelkezésre, melyek a talajfelszínhez képest 45 fokos szögben, speciális fúróberendezéssel juttathatók a növényállományok alá. A szántóföldi kísérletek folyamatban vannak, ezek előnye, hogy bolygatatlan, természetes szerkezetű talajban lehet vizsgálni a gyökérzet fejlődését, hátránya, hogy nehezebb a környezeti feltételek, elsősorban a talajnedvesség szabályozása.

Mi a teendő?

Magyarországon évente több mint egymillió hektáron termesztenek őszi búzát 4 t/ha körüli átlagterméssel. A búzafajták a környezeti hatásoktól függően jelenleg átlagosan 1,0–1,2 kg szemtermést állítanak elő 1 m³ víz felhasználásával (Lantos, 2007). Ehhez évente mintegy 3600 millió m3 vízre van szükség, ami kedvezőtlen vízhasznosítási hatékonyságnak tekinthető. A vízfelhasználás hatékonyságának növelésével a talajok vízkészletének egy része megőrizhető lenne, ami az aszálykárokat részben képes lenne ellensúlyozni. Annak ellenére, hogy Magyarország felszíni és felszín alatti vizekben gazdag, a mezőgazdaságban a vízhiány abból adódik, hogy a víz térben és időben nem ott és nem akkor van jelen, amikor arra szükség lenne. Mivel az őszi búza öntözése nem gazdaságos, fontos lenne, hogy a növénytermesztők mellett (vízmegőrző talajművelési rendszerek alkalmazása) a növények is hatékonyan gazdálkodjanak a vízkészletekkel. A növények vízhasznosító képességét jelentősen meghatározza a fajták genetikai adottsága, ami lehetőséget biztosít a növénynemesítés számára a kevés vízből nagyobb termést előállítani képes fajták nemesítésére.
 

A kutatáshoz szükséges eszközök beszerzése, valamint a segédszemélyzet foglalkoztatása a TÁMOP 4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0064 számú projekt által biztosított forrásból valósult meg.
 

Kulcsszavak: mezőgazdaság, növénytermesztés, gabonafélék, alkalmazkodóképesség, vízhasznosító képesség, növekvő légköri CO₂-koncentráció
 

IRODALOM

IPCC (2007): IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007. • WEBCÍM

Jones, James W. – Hoogenboom, G. – Porter, C. H. – Boote, K. J. –Batchelor, W. D. – Hunt, L. A. – Wilkens, P. W. – Singh, U. – Gijsman, A. J. – Ritchie, J. T. (2003): DSSAT Cropping System Model. European Journal of Agronomy. 18, 235–265. DOI:10.1016/S1161-0301(02)00107-7 • WEBCÍM

Lantos Zsuzsanna (2007): Gazdasági növények vízhasznosítása. Acta Agronomica Óváriensis. 49, 2/1, 353–358. • WEBCÍM

Lehner, Bernhard – Döll, P. – Alcamo, J. – Henrichs, T. – Kaspar, F. (2006): Estimating the Impact of Global Change on Flood and Drought Risk in Europe: A Continental Integrated Analysis. Climatic Change. 75, 273–299. DOI: 10.1007/s10584-006-6338-4 • WEBCÍM

Pask, Alistair J. D. – Reynolds, Mathew P. (2013): Breeding for Yield Potential Has Increased Deep Soil Water Extraction Capacity in Irrigated Wheat. Crop Science. 53, 2090–2104. DOI: 10.2135/cropsci 2013.01.0011 • WEBCÍM

Trnka, Miroslav – Dubrovsky, M. – Zalud, Z. (2004): Climate Change Impacts and Adaptation Strategies in Spring Barley Production in the Czech Republic. Climatic Change. 64, 227–255. DOI: 10.1023/B:CLIM. 0000024675.39030.96 • WEBCÍM

Varga Balázs – Bencze Szilvia (2009): Comparative Study of Drought Stress Resistance in Two Winter Wheat Varieties Raised at Ambient and Elevated CO2 Concentration. Cereal Research Communications. 37, 209–212. DOI: 10.1556/CRC.37.2009.Suppl.2 • WEBCÍM

Varga Balázs – Janda T. – Varga-László E. – Veisz O. (2012): Influence of Abiotic Stresses on the Antioxidant Enzyme Activity of Cereals. Acta Physiologiae Plantarum. 34, 849–858. DOI: 10.1007/s11738-011-0882-x • WEBCÍM

Varga Balázs – Varga-László E. – Bencze S. – Balla K. – Veisz O. (2013): Water Use of Winter Cereals under Well Watered and Drought Stressed Conditions. Plant Soil and Environment. 59,150–155. • WEBCÍM