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Effects of woody plants and their residues on crop yield, weedsand soil carbon fractions in selected arable cropping systems
(2018) Xu, Jialu; Gruber, Sabine
Gehölze können auf Ackerflächen zu Produktionszwecken angebaut werden (z.B. Bäume zur Biomasseproduktion) oder dienen als Feldgrenzen (z.B. Hecken). Gehölzpflanzen auf Ackerflächen wirken sich dabei positiv auf die Biodiversität aus, verringern die Bodenerosion sowie die Nitratauswaschung und haben einen positiven Einfluss auf die Trinkwasserqualität. Des Weiteren tragen sie zu einer Zunahme der organischen Bodensubstanz und zur Kohlenstoffsequestrierung im Boden bei und leisten damit einen Beitrag zum Klimaschutz. Die Gehölzpflanzen selber und auch deren Rückstände wie z.B. Häckselgut von Hecken können aber auch ungewünschte Auswirkungen auf die Kulturpflanzen nach sich ziehen, die beispielsweise durch allelopathische Effekte oder durch die Konkurrenz um Ressourcen (z.B. Licht) hervorgerufen werden. In der Vergangenheit fielen Gehölzpflanzen auf Ackerflächen vermehrt der Intensivierung und Mechanisierung in der Landwirtschaft zum Opfer, während heutzutage Bestrebungen bestehen, deren Zahl zu erhalten, um Ökosystemleistungen zu sichern. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war, Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Boden bei ausgewählten Gehölzen sowie deren Ernterückständen auf Ackerflächen zu untersuchen. Die vorgelegte Arbeit besteht aus vier Publikationen und umfasst Labor- und Feldexperimente, die sich zum einen mit den Effekten von Hackschnitzeln aus Heckenrückschnitt auf die landwirtschaftliche Produktion und zum anderen mit dem Vergleich einer Kurzumtriebsplantage mit anderen „Energiepflanzen“ in unterschiedlichen Anbausystemen beschäftigen. In den Untersuchungen werden relevante Aspekte zu Erträgen der Kulturpflanzen, Unkräutern und ausgewählten Bodenparametern herausgegriffen. Die erste Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) beschreibt Langzeiteffekte der Ausbringung von Hackschnitzeln von Hecken (hauptsächlich Acer pseudoplatanus L., Prunus avium L., Prunus padus L., Salix caprea L., Ligustrum vulgare L., und Fraxinus excelsior L.) auf den Ertrag und den Unkrautbesatz auf einer ökologisch bewirtschafteten Ackerfläche. Hierfür wurden Daten eines 16-jährigen Versuchs auf der ökologisch bewirtschafteten Versuchsstation Kleinhohenheim in Südwestdeutschland gesammelt. Untersucht wurde der Effekt von Hackschnitzelmulch (HSM) auf eine typische Fruchtfolge (Getreide, Leguminosen und Ackerfutter). Die Hackschnitzel stammten vom Rückschnitt der Hecken des Betriebs und wurden jährlich in drei verschiedenen Mengen ausgebracht (0, 80 und 160 m3 ha-1). HSM führte zu einer Reduktion des Unkrautbesatzes um 9 % im Frühjahr, wobei höhere Ausbringungsmengen im Vergleich zu niedrigeren generell in geringerem Unkrautbesatz resultierten. Der Einfluss auf den Ertrag war statistisch nicht signifikant, jedoch wurden über die Versuchszeit tendenziell sinkende Erträge auf mit HSM behandelten Parzellen gegenüber der Kontrolle beobachtet. Die unkrautunterdrückende Wirkung des HSM könnte auf verschiedenen Effekten beruhen, nämlich der mechanischen Behinderung des Auflaufens von Unkräutern, einer geänderten Bodentemperatur, einer reduzierten Stickstoffverfügbarkeit durch die Gabe von Material mit vergleichsweise weitem C:N-Verhältnis sowie allelopathischen Effekten. Hackschnitzel können daher zwar zur Unkrautkontrolle auf Ackerflächen verwendet werden, es müssen jedoch potentiell ungewünschte Effekte auf die Kulturpflanzen berücksichtigt werden. Die zweite Publikation (eingereicht bei Seed Science Research) basiert direkt auf der ersten und beschäftigt sich mit möglichen allelopathischen Effekten von HSM und deren Einfluss auf die Samenkeimung unter Laborbedingungen. Getestet wurden die Auswirkungen wässriger Extrakte von Hackschnitzeln der Salweide (Salix caprea L.) und der Gewöhnlichen Traubenkirsche (Prunus padus L.) auf die Keimung von Raps (Brassica napus L.) und Weizen (Triticum aestivum L.). Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer standardisierten Extraktionsmethode, wobei die Trocknung (Gefriertrocknung, Ofentrocknung mit 25, 60 oder 105 °C), das Mahlverfahren, das Holz-Wasser-Verhältnis bei der Extraktion (HWV; 1:10, 1:15 oder 1:20) und das Ausgangsmaterial (Rinde oder Kernholz) variiert wurden. Die Extrakte aus der Gefriertrocknung und die des ungetrockneten Holzes führten nach zwei Wochen zu der geringsten Keimrate (<6 %) bei beiden Kulturarten. Die ofengetrockneten Varianten besaßen eine höhere Keimrate von 12 bis 53 %. Die Keimrate von Raps lag bei einer hohen HWV (1:10) mit Extrakten aus gemahlenen Hackschnitzeln der Gewöhnlichen Traubenkirsche bei 26 % und damit signifikant niedriger als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (49 % Keimung). Weizenkörner keimten unter diesen Bedingungen in geringerer Anzahl als Raps, aber die Keimung war mit Extrakten aus gemahlenem Material (1%) auch geringer als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (19 %). Der Effekt der Keimungsunterdrückung stieg mit erhöhtem HWV bzw. höherer Konzentration der Extrakte. Die Keimraten betrugen durchschnittlich für HWV 1:20 86 %, für HWV 1:15 71 % und für HWV 1:10 35 % mit gemahlenen Hackschnitzeln. Aus der Rinde gewonnene Extrakte führten zu einer signifikant geringeren Keimrate (<4 %) als die des Kernholzes (<88 %). Die effektivste Methode zur Erhaltung offensichtlich allelopathisch wirksamer Verbindungen war die Kombination aus gemahlenen Hackschnitzeln aus Rindenholz, Gefriertrocknung (-50 °C) und einem hohen HWV. Diese hatte den größten Effekt auf die Unterdrückung der Keimung. Die Ergebnisse aus dieser Publikation können zur Untersuchung weiterer Gehölzarten angewandt werden und bieten eine Grundlage für die Auswahl geeigneter Substrate mit einem möglichst hohen allelopathischen Potential zur Unterdrückung von Unkraut. Die dritte Publikation (in Vorbereitung) beschäftigt sich mit der organischen Substanz (OS) beim Anbau mit Gehölzen zur energetischen Nutzung im Vergleich zum Anbau annueller Energiepflanzen auf Ackerland. Untersucht wurde ein 12-jähriger Dauerversuch auf der Versuchsstation Ihinger Hof in Südwestdeutschland mit einer Weiden-Kurzumtriebsplantage (Salix schwerinii E. Wolf x viminalis L.) und einer 12-jährigen Maismonokultur (Zea mays L.). In diesem Versuch wurden Bodenproben im Bereich 0 –10 cm und 10 – 20 cm gezogen. An jeder Probe wurden im Labor eine Dichtetrennung sowie eine Fraktionierung nach Korngröße durchgeführt, und der Kohlenstoffgehalt jeder Fraktion bestimmt. Die Dichtefraktionierung resultierte in einer leichten Fraktion (<1,8 g cm-3), die sich aus freier partikulärer und in Bodenaggregaten eingeschlossener OS „occluded- particulate organic matter“ (f-POM und o-POM) zusammensetzte sowie der schweren Fraktion, bestehend aus drei Klassen verschiedener Partikelgrößen: Sand (63-2000 μm), Lehm (2-63 μm) und Ton (<2 μm). Generell fanden sich höhere Gehalte an OS in der oberen Bodenschicht unter Weiden (1,39 %) als im Maisanbau (1,13 %). Im Boden unter Weiden war die leichte Fraktion (f-POM und o-POM) um 154 % höher als beim Maisanbau. Grund dafür war der kontinuierliche Zufluss von Streu und von Wurzelresten sowie die fehlende Bodenbearbeitung. Ebenso war das C:N Verhältnis der OS in den Sandfraktionen unter Weide (28, 24 und 16) höher als unter Mais (23, 18 und 9). Die Ergebnisse deuten auf einen langsamen Umsatz von OS und damit auf ein höheres Kohlenstoffsequestrierungspotential unter Weiden in Kurzumtriebsplantage als beim Maisanbau hin. Die vierte Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) nutzt denselben 12-jährigen Feldversuch wie die dritten Publikation. Es erfolgte eine Bewertung des Biomasse- und des Bruttoenergieertrags von sechs annuellen und perennierenden Energiefruchtfolgen mit verschiedenen Stickstoffdüngungsstufen. Die annuellen Systeme bestanden aus Mais in Monokultur mit reduzierter Bodenbearbeitung; einer Fruchtfolge mit Raps (B. napus L. ssp. oleifera) – Weizen (Triticum aestivum L.) – Triticale (Triticale x triticosecale Wittmack) mit wendender bzw. keiner Bodenbearbeitung. Die perennierenden Systeme umfassten eine Kurzumtriebsplantage mit Weiden (S. schwerinii E. Wolf x viminalis L.), Miscanthus (Miscanthus x giganteus Greef et Deu.) und Ruthenhirse (Panicum virgatum L.). Für jedes Anbausystem wurden drei Stickstoffdüngungsstufen (0, 50 und 100 % der praxisüblichen Düngemenge) etabliert. In Mais wurde im Mittel der höchste jährliche Biomasseertrag festgestellt (18,5 Mg ha-1), gefolgt von Miscanthus (18,3 Mg ha-1) jeweils bei einem N-Düngeniveau von 100 %. Ohne Stickstoffdüngung lag der jährliche Biomasseertrag bei Miscanthus mit 13,6 Mg ha-1 am höchsten. Das hohe Ertragsniveau konnte bei beiden Kulturen über die 12-jährige Versuchslaufzeit nur mit der höchsten N-Düngerstufe gehalten werden. In den Fruchtfolgen und bei Rutenhirse sanken die Erträge über die Jahre auch mit hoher Stickstoffgabe. Je geringer die Stickstoffdüngung ausfiel, desto stärker war der Ertragsrückgang. Die Weiden in Kurzumtriebsplantage zeigten unabhängig von der Stickstoffdüngung und der Versuchslaufzeit im Mittel gleichbleibende Erträge von 11 Mg ha-1. Offenbar ist die Stickstoffdüngung für Weiden in Kurzumtriebsplantagen im Vergleich zu den anderen untersuchten Kulturen und Anbausystemen ein weniger wichtiger Produktionsfaktor. Das Ausbringen von Hackschnitzel von Hecken auf Ackerflächen und der Anbau von Gehölzpflanzen (Weide in Kurzumtriebsplantage) zeigten Effekte im oberirdischen Pflanzenaufwuchs und hatten Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften. Gewünschte Auswirkungen der Managementmaßnahmen waren (i) die Verringerung des Unkrautbesatzes, (ii) der geringe Stickstoffinput für eine zufriedenstellende Produktivität von Weiden in Kurzumtriebsplantage, und (iii) und die Erhöhung der OS (Kohlenstoffsequestrierung). Unerwünschte Effekte äußerten sich in der tendenziellen Reduktion der Biomasseproduktion der Kulturpflanzen Wie die Studie zu Extrakten aus den Hackschnitzeln zeigt, scheinen tatsächlich allelopathische Effekte eine mögliche Ursache für die Unkrautunterdrückung bei der Hackschnitzelapplikation zu sein. Diese oder ähnliche Effekte könnten auch nach der Rodung von Kurzumtriebsplantagen auf die Nachfrüchte auftreten, z.B. aus Rückständen von Wurzeln und Stamm. Weiterhin könnte beim Erhalt von Heckenbiotopen auch mit einer Kohlenstoffsequenzierung gerechnet werden, ähnlich wie es bei den Weiden in Kurzumtriebsplantage gezeigt wurde. Die günstigen Effekte des Anbaus von Gehölzen könnten Landwirte motivieren, Gehölzpflanzen auf ihren Ackerflächen zu belassen bzw. zu etablieren und die Ökosystemleistungen auf dem Betrieb zu erhöhen. Weiterführende Forschung könnte darauf abzielen (i) technische Lösungen für eine praktikable Hackschnitzelausbringung zur Unkrautbekämpfung zu finden, (ii) die allelopathisch wirksamen Substanzen von Gehölzen zu identifizieren und zu isolieren und so gegebenenfalls Grundlage für eine neue Generation von Herbiziden zu schaffen, (iii) Langzeitfolgen von Ernterückständen nach dem Anbau von Kurzumtriebsplantagen auf die nachfolgenden Kulturen zu untersuchen, und (iv) Studien zur C-Sequestrierung unter naturnahen Hecken vorzunehmen.
Einfluss von Anbauverfahren und Umweltfaktoren auf Ertrag, Qualität und agronomische Eigenschaften von Soja (Glycine max L. Merrill)
(2021) Sobko, Olena; Gruber, Sabine
With a crude protein content of approximately 40% and a crude fat content of approximately 20% in the seeds, soybean (Glycine max L. Merril) is one of the worlds most important crops with a wide range of uses. The high-quality soybean protein is an important component of animal feed in dairy and meat production. Soybean oil is often used in human nutrition, and with increasing vegetarian or vegan diets, protein-rich foods made from soybean are in high demand. In practical farming, soybean is a beneficial crop in crop rotations because it can fix atmospheric nitrogen through symbiosis with rhizobia, making the plant self-sufficient in nitrogen supply. Since soybean cultivation has no tradition in Germany, optimization of the cultivation technique is required. The present work is about the elaboration of efficient cultivation techniques for soybean in Germany. In three publications, based on three multi-year as well as multi-location and orthogonal field trials, the effects of sowing density and sowing system on yield, protein, and oil content as well as on agronomic properties of soybean are investigated in several varieties from different maturity groups. In addition, the effects of temperature, precipitation and solar radiation on yield, oil content, and protein content have been investigated to identify potential locations for specific production priorities. In the first publication (published in Agronomy Journal MDPI), the results from trials over two years and two locations in southern Germany with four soybean varieties of different maturity groups (00, 000) and growth types with either drill seeding (row spacing 14 cm) or precision seeding (row spacing 28 cm) are presented. To answer the question of which seeding method is more efficient, the following characteristics have been investigated, namely seed yield and yield structure, protein and oil content, LAI, plant height, height of the first pod set, lodging, and nodule numbers. The sowing system did not significantly affect the tested traits, and there was little difference in yield and qualities (seed yield: 3.6 t ha-1 DM, protein content: 40.9 % DM, oil content: 18.8 % DM for drill seeding; seed yield: 3.8 t ha-1 DM, protein content: 40.1 % DM, oil content: 19.1 % DM for precision seeding). These results are very helpful for soybean producers, because they do not need to invest in new sowing technique but can sow with sowing machines which are already available on the farm. The second publication (published in Plant, Soil and Environment) is about the effects of sowing density of soybean with four varieties of maturity groups 00 and 000. Four sowing densities (30, 50, 70, and 90 seeds m-2) were tested over two years and two locations in southern Germany. The lowest seed yield (3.2 t ha-1 DM was obtained at a sowing density of 30 seeds m-2 and the highest at 90 seeds m-2 (4.4 t ha-1 DM). The 00 varieties (3.6 t ha-1 DM) were higher yielding than the 000 varieties (3.4 t ha-1 DM). Sowing density did not affect seed quality characteristics. Plants were more susceptible to lodging with increasing sowing density. The lowest pod set was 4 cm higher at a sowing density of 90 seeds m-2 (13.4 cm) than at 30 seeds m-2 (9.4 cm). Increasing sowing density could reduce yield losses due to threshing because the height of the first pod set was increased at high sowing densities. Consequently, the optimum soybean seed rate would be between 50 and 70 seeds m-2 for 00 and 000 varieties at the tested locations and similar regions in Germany. In the third publication (published in Agronomy Journal MDPI), the influences of environmental factors on yield, protein and oil content, and protein and oil yield of soybean in Germany have been investigated. In the two-year field trials, 13 soybean varieties from maturity groups 00 and 000 were tested at several locations across Germany (four in 2016 and five in 2017). The 000 varieties were less sensitive to environmental factors compared to the 00 varieties. Regardless of maturity group, high solar radiation and appropriate precipitation tended to increase seed yields (r seed yield / solar radiation = 0.32 and r seed yield / solar radiation = 0.33). High temperatures at maturity reduced the productivity but provided slightly higher protein contents in 000 varieties (r protein content / CHU at maturity = 0.23). The locations that are not at risk for water stress would be suitable for soybean production if protein or oil yield is the primary concern. Overall, this study indicates that a sowing density of 50-70 seeds m-2 in combination with varieties of appropriate maturity groups could promote soybean cultivation in Germany. In dry locations, a lower sowing density is advisable in contrast to locations with more precipitation. Additional costs for the adaptation of technical equipment would not be incurred, because both drill seeding and precision seeding can be applied. By matching the direction of use (protein and/or oil production) of soybean to the climatic conditions of specific regions, soybeans for food and feed can be produced in Germany with sufficient traceability for quality and food safety. Climate warming offers opportunities to extend soybean production in Germany. This thesis provides results from which recommendations can be derived that are immediately applicable in agricultural practice.
Genotypische Variation der Überdauerungsneigung von transgenem und konventionell gezüchtetem Raps und Möglichkeiten der Beeinflussung durch Bodenbearbeitung als Beitrag zur Sicherheitsforschung bei transgenen Kulturpflanzen
(2004) Gruber, Sabine; Claupein, Wilhelm
High losses during harvesting of oilseed rape in combination with secondary dormancy of the seeds can result in a large soil seed bank which may persist for several years. Volunteers emerging from this seed bank cannot be controlled completely, particularly when they develop in another rapeseed population. In addition to well known agricultural problems, the risk of temporal and spatial gene dispersal by persistent seeds and volunteers gets more significant. With regard to genetically modified (GM) cultivars, seed dormancy and persistence of oilseed rape volunteers have to be reconsidered. The aim of the current study was to investigate the chances for a reduction of seed persistence and gene dispersal by growing specific genotypes and by the implementation of appropriate tillage operations. Four publications describe and discuss experiments in the laboratory and the field on the aspects ?genotype? and ?soil tillage?. One central point was the characterisation of the genotypic variation of secondary dormancy and seed persistence in GM (herbicide tolerant) and conventionally bred oilseed rape. A gradual approach towards field conditions was performed by three experiments. The first experiment examined potential seed persistence by artificial induction of secondary dormancy in the laboratory. The second experiment was a burial of seeds in the soil for six months on a field. The third experiment examined persistence of seeds actually lost during harvest and exposed afterwards to different tillage operations in a field experiment. All three experiments showed a high genotypic variability in seed dormancy and persistence. In the laboratory the level of secondary dormancy of conventional cultivars was a total of 3?76% and of the GM cultivars 1?31%. The number of persistent seeds in the burial experiment was 7?90% in the conventional and 12?79% in the GM assortment. Seeds from the seed rain of the four conventionally bred cultivars in the field experiment persisted in the soil from 0?11% over six months. A significant, positive correlation was found between the laboratory results for cultivars from two crop years as well as between the results from laboratory and burial experiments. This is an indication for a genetic background of seed dormancy and persistence of oilseed rape. It has been demonstrated that a laboratory method for induction of secondary dormancy can describe differences of seed persistence in the field. This result gives a chance for screening new cultivars in the laboratory to identify desired, low persistent genotypes. The other focus of the study was the effect of various tillage treatments on seed persistence and seedling recruitment in the field. Four differently intensive tillage operations incorporated the seeds of two near-isogenic cultivars at different times and soil depths, or left the soil untilled. Winter wheat was sown as following crop in all treatments whereby no weed control was performed. The highest number of seeds generally entered the soil seed bank when seeds were incorporated into the soil by stubble tillage immediately. After six months 1?14% of the initial seed input was found again in the soil in these treatments, and in one isolated case about 28%. Delaying the stubble breaking, the soil seed bank was 0?3%. Leaving the seeds undisturbed on the soil surface until direct drilling resulted in a soil seed bank of 0?17%. Therefore, the first tillage operation after harvest of oilseed rape should be performed with some time delay to avoid large soil seed banks. Soil inversion by a mouldboard plough shifted the majority of seeds into deep soil horizons from where a successful germination was restricted. In contrast, primary tillage by a rigid tine cultivator or zero tillage mainly distributed the seeds within the upper soil layer. Thus the number of flowering volunteers in the first spring was highest in these treatments, with a maximum of one volunteer m-2. Gene dispersal from oilseed rape volunteers to other rape crops and feral relatives was possible because their flowering periods overlapped. The volunteers were able to produce viable seeds, despite high levels of damage by pests and diseases. Overall, a high genotypic variability was found for seed persistence of oilseed rape. Tillage operations, particularly the time of stubble tillage, can also influence seed persistence and the occurrence of volunteers. Combined with a thorough knowledge of the processes involved, the selection of low persistent genotypes and adequate tillage operations offer chances to limit or even to avoid undesired gene dispersal from oilseed rape volunteers, and to make gene dispersal a predictable factor.