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Effects of seed coating on germination and early seedling growth in cereals
(2014) Gorim, Linda Yuya; Asch, Folkard
Grain cereals such as barley, rye, wheat or sorghum, constitute a major share in human diet worldwide. Climate change threatens cereal production systems due to emerging unreliable rainfall patterns and thus, renders crop production vulnerable to early season failure of crop establishment. Breeding drought tolerant genotypes is a long and complicated process, thus not suited to respond to environmental changes quickly but rather to address the problem in a longer time frame. Seed coats increasing water availability to the seed and enhancing early vigor of the seedling may be a better short term solution. Seed coats containing hydro-absorbers such as Stockosorb® or Geohumus® can improve water availability and in combination with other substances for example humic acids or plant fortifiers such as Biplantol® may improve early vigor. However, very low germination rates have been observed in seeds coated in this way resulting in slow adoption of seed coating technology in agriculture. The present study analyzed the effects of seed coating on germination, which seed coat composition can enhance germination rate and early vigor and why, the effects of seed coat on germination and seed physiology, and which influence seed coats containing different kinds of hydro-absorbers have on the drought resistance of seed during germination. Studies were conducted on barley, rye, and wheat seeds. In these species the mode of action of differently composed seed coats and the effects of differences in seed coat strength were studied whereas the studies on drought resistance were performed with sorghum seeds. The following results were obtained and submitted for international publication: 1) Seed coating in general reduced germination rates as compared to uncoated seeds. Seed coating thickness was the determining factor. With a share of the seed coat of 75% of the total grain (seed + seed coat) germination was very little affected by coating. However, smaller seed coat shares and particularly shares smaller than 50% of the total grain severely reduced germination rate. This effect was especially pronounced in wheat. 2) With seed coat shares larger than 75% and the coats dotted with different substances generally resulted in high germination rates. However, strong genotypic effects were observed in responses of seed physiology and dry matter partitioning to the different substances included in the coat, with barley generally responding positively, rye intermediate and in wheat generally the weakest effects were observed. Across genotypes Biplantol included in the coat mainly promoted shoot growth, humic acid increased root growth and hydro-absorbers mainly the rate of germination and early vigour. Due to those results only seed coated with hydro-absorber containing coat and with coat not smaller than 75% were used for all following studies. 3) Seedlings growing from coated seeds with coat shares > 75% showed accelerated early seedling growth with strongly reduced respiratory losses during the mobilization of endosperm reserves, combined with significantly increased mobilisation efficiency in all three cereals. Analyses showed that the sucrose metabolism and thus the availability of glucose as energy provider for growth differed strongly between coated and uncoated seeds as well as among the cereal species. Embryos from coated seed (particularly in barley and wheat) seemed to grow better with significantly less glucose indicating a chance in the enzymatic cleavage of sucrose that could only be due to the higher energy efficiency of the enzyme sucrose synthase. 4) Studies during germination in sensu stricto (the first 48h hours after soaking) showed that in the embryos of coated seeds conditions were hypoxic with oxygen concentrations of less than 5% of atmospheric oxygen as compared to 60-80% oxygen of atmosphere in embryos of uncoated seeds. From this it was deduced that the lower respiratory losses during germination of coated seeds are due to a switch in sugar metabolism from invertase based cleavage of sucrose to sucrose synthase based cleavage of sucrose which is the less energy demanding pathway in the near absence of oxygen. 5) A last study on drought resistance of coated seed whose coats comprised two different hydro-absorbers (Stockosorb or Geohumus) showed that the drought responses of coated seed differed little form uncoated seeds. However, seedling growth under both drought and fully watered conditions was affected by the type of hydro-absorber in the coat. Whereas Stockosorb promoted rather root growth,Geohumus enhanced shoot growth. In conclusion, it can be stated that seed coats investigated in this study in general promoted germination rate and success in cereals if the seed coat has the appropriate strength i.e. coat shares not below 75% of total grain. Additives such as Biplantol or humic acid promote vigour and influence dry matter partitioning in favour of specific organs which could be employed as management options during germination. It was shown that seed coats influence the germination and seedling metabolism und induce hypoxic conditions in embryonic tissue which shift the sugar metabolism to a more energy efficient pathway. Oxygen dynamics in the different seed tissues require further studies and need to be better understood in order to employ the positive effects of seed coating in a targeted and species-specific approach to improve and enhance crop establishment particularly in drought prone cereal production systems. Another future pathway could be including nutrients in the coat that promote early seedling growth and for systems threatened by early drought spells or unreliable rainfall a seed coat that would conduct water to the seed only after soil moisture has surpassed a given threshold and thus induces germination only when water availability is optimal.
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.