Improving cover crop mixtures to increase soil carbon inputs and weed suppression as a tool to promote yield potential

Abstract

Arable cropping systems are facing challenges imposed by climate change and are, at the same time, a tool to mitigate climate change. Soils are essential in securing yield potential and acting as a carbon sink. Recognizing small-scale site-specific differences in crop management and integrating cover crops, which provide ecosystem services such as carbon sequestration and weed suppression, are two approaches to climate-smart agriculture. To investigate site-specific soil heterogeneity, soil properties were analyzed in a field trial, measuring at three soil depths in 42 plots to determine their influence on yield measures. Soil organic carbon, silt, and clay contents in both topsoil and subsoil explained 45-46% of the variability in grain yield. Additionally, a positive correlation was found between increasing clay content in the topsoil and grain yield and tiller density. A higher clay content in the subsoil resulted in a decrease in grain yield. Soil organic carbon was identified as a soil property that positively influences yield and yield formation at any soil depth through multiple regressions and cluster analysis. Soil organic carbon is a critical soil measure that can significantly improve yield potential and can be manipulated by crop management practices like cover cropping. In a second field experiment, the impacts of increasing plant diversity of cover crop mixtures on rhizosphere carbon input and microbial utilization were investigated. A comparison was made between Mustard (Sinapis alba L.) planted as a sole crop and diversified cover crop mixtures of four (Mix4) or twelve (Mix12) species. A 13C-pulse labeling field experiment traced C transfer from shoots to roots to the soil microbial community. Mix 4 doubled the net CO2-C removal from the atmosphere, while Mix 12 more than tripled it, indicating that plant diversity positively impacts carbon cycling. This is reflected in higher atmospheric C uptake, higher transport rates to the rhizosphere, higher microbial incorporation, and longer residence time in the soil environment, improving the efficiency of C cycling in cropping systems. Root C-transfer could be identified as a fast pathway for C to reach soil C-compartments, but a substantial share of atmospheric C-catch comes from shoot biomass. In a third field experiment, the influence of species combination on shoot biomass formation was systematically assessed by investigating species interactions in dual cover crop mixtures and their competitiveness to suppress weeds before winter under different growing conditions. The shoot biomass share of a cover crop species in a dual-species mixture was found to be directly linked to its shoot biomass in a pure stand. Mustard and phacelia had similar effects on the shoot biomass production of the second species added to the mixture. Cruciferous species were more competitive against weeds than other cover crop species and could suppress weeds even when mixed with a less competitive partner. Weed suppression in mixtures with phacelia depended on the second component. Our results indicate that dual mixtures containing one competitive species reduce weed shoot biomass before winter, comparable to competitive pure stands. The research in this thesis shows that C content in the soil plays a crucial role in yield formation in arable cropping systems in Germany. Finally, the study has demonstrated that implementing cover crop mixtures can enhance soil C input and represent a valuable method for preserving yield potential. It was also shown that an intelligent combination of cover crop species can determine successful development and weed suppression.

Ackerbausysteme stehen vor den Herausforderungen des Klimawandels und sind gleichzeitig ein Instrument zu dessen Eindä mmung. Der Boden spielt dabei eine zentrale Rolle für die Sicherung des Ertragspotenzials und in seiner Funktion als Kohlenstoffsenke. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Strategien fü r eine klimaangepasste Landwirtschaft untersucht. Zum einen wurde untersucht, welche Auswirkungen standortspezifische, kleinsträumige Bodenunterschiede auf das Pflanzenwachstum haben. Zum anderen untersuchten wir, wie durch die Integration von Zwischenfruchtmischungen verschiedene Ökosystemleistungen wie Kohlenstoffbindung und Unkrautunterdrückung erreicht werden können. Eine zielorientierte, standortangepasste Diversifizierung von Zwischenfruchtmischungen hat das Potenzial, die Kohlenstoffbindung und andere Ökosystemleistungen wie die Unkrautunterdrückung zu verbessern. Um die Bodenheterogenitä t an einem bestimmten Standort zu untersuchen, wurden in einem Feldversuch die Bodeneigenschaften in drei verschiedenen Tiefen auf 42 Parzellen analysiert. Ziel war es, den Einfluss dieser Bodeneigenschaften auf den Ertrag zu ermitteln. Die Variabilität des Kornertrags konnte zu 45-46% durch den Gehalt an organischem Kohlenstoff, Schluff und Ton im Ober- und Unterboden erklä rt werden. Es konnte gezeigt werden, dass es eine positive Korrelation zwischen dem zunehmenden Tongehalt im Oberboden und dem Kornertrag sowie der Triebdichte gibt. Im Gegensatz dazu führte ein höherer Tongehalt im Unterboden zu einem Rü ckgang des Kornertrags. Der Kohlenstoffgehalt im Boden wurde mittels multipler Regressions- und Clusteranalysen als ein Merkmal identifiziert, das einen Einfluss auf den Ertrag und die Ertragsbildung in allen Bodentiefen hat. Der organische Kohlenstoffgehalt ist eine wichtige Bodenkenngröße, die das Ertragspotenzial deutlich verbessern kann und die sich durch Anbauverfahren wie den Zwischenfruchtanbau positiv beeinflussen lä sst. In einem zweiten Feldexperiment wurden die Auswirkungen einer erhö hten Pflanzendiversitä t von Zwischenfruchtmischungen auf den Kohlenstoffeintrag in die Rhizosphä re und die mikrobielle Nutzung untersucht. Es wurde ein Vergleich zwischen Senf (Sinapis alba L.), der als Reinsaat angebaut wurde, und diversifizierten Zwischenfruchtmischungen aus vier (Mix4) oder zwö lf (Mix12) Arten durchgeführt. Im Feldversuch mit 13C angereichertem Kohlenstoff wurde der C-Transfer vom Spross ü ber die Wurzeln bis hin zum Bodenmikrobiom verfolgt. Mix 4 verdoppelte den Netto-CO2-C-Entzug aus der Atmosphä re, wä hrend Mix 12 ihn mehr als verdreifachte, was darauf hindeutet, dass Diversitä t einen positiven Einfluss auf den Kohlenstoffkreislauf hat. Dies zeigt sich in einer hö heren Kohlenstoffaufnahme aus der Atmosphäre, höheren Transportraten in die Rhizosphä re, einer hö heren mikrobiellen Aufnahme und einer längeren Verweildauer im Boden. Dadurch wird die Effizienz des Kohlenstoffkreislaufs in Anbausystemen verbessert. Es konnte gezeigt werden, dass der Kohlenstofftransfer über die Wurzeln ein schneller Weg ist, auf dem Kohlenstoff in die Kohlenstoffvorräte des Bodens gelangt, obwohl ein erheblicher Teil des gesamten langfristig in der Atmosphä re gebundenen Kohlenstoffs aus der Sprossbiomasse stammt. In einem dritten Feldversuch wurde eine systematische Auswertung von Kombinationen verschiedener Pflanzenarten in dualen Zwischenfruchtmischungen in Bezug auf die Interaktionen in Sprossbiomasse und der Konkurrenzkraft gegen Unkrä uter durchgefü hrt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine gute Unkrautunterdrückung bis zum Ende der Vegetationsperiode in Zweier- Zwischenfruchtmischungen, die eine konkurrenzstarke Art enthalten, erreicht werden kann, vergleichbar mit einer kompetitiven Zwischenfruchtart in Reinsaat. Senf und Phacelia hatten ähnliche Auswirkungen auf die Produktion der Sprossbiomasse der zweiten Mischungskomponenten. Kreuzblütler waren konkurrenzfähiger gegen Unkräuterals andere Zwischenfruchtarten und konnten Unkräuter auch dann unterdrücken, wenn sie mit einem weniger konkurrenzfä higen Partner gemischt wurden. Die Unkrautunterdrückungsleistung in Mischungen mit Phacelia hing von der zweiten Komponente ab. Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, dass der C-Gehalt im Boden eine entscheidende Rolle für die Ertragsbildung in Ackerkulturen spielt. Schließlich habendie Untersuchungen gezeigt, dass der Einsatz von Zwischenfruchtmischungen den C-Gehalt im Boden erhöhen kann und somit eine wertvolle Methode zur Erhaltung des Ertragspotenzials darstellt. Darü ber hinaus konnte gezeigt werden, dass eine erfolgreiche Entwicklung und Unkrautunterdrückung durch eine intelligente Kombination von Zwischenfruchtarten erreicht werden kann.