Agricultural diversification of biogas crop cultivation

Abstract

For all types of agricultural land-use, more diverse cropping systems are required, with respect to the maintenance of ecosystem values such as biodiversity conservation and climate change adaptation. This need for greater agricultural diversity is clearly illustrated by biogas crop cultivation. In Germany, maize currently dominates biogas crop cultivation due to its outstanding methane yield performance. However, the ecosystem value of maize cultivation decreases if good agricultural practices are ignored. Additionally, the poor aesthetical value of maize has led to biogas production gaining a negative reputation in society. To increase the diversity of biogas crop cultivation, alternative biogas crops such as amaranth and wild plant mixtures need to be investigated with respect to both yield performance and biogas substrate quality. The research objective of this study was the development of strategies for agricultural diversification of biogas crop cultivation. For this purpose, the following research questions were formulated: 1. How does amaranth perform as a biogas crop compared to maize and what are the major opportunities for and obstacles to the large-scale implementation of amaranth cultivation? 2. How does the spatial diversification ‘legume intercropping’ perform in amaranth compared to maize and what are the major opportunities for and obstacles to its practical implementation? 3. How do perennial wild plant mixtures perform in biomass production with respect to yield, quality and species diversity in the long term and what are the relevant agronomic factors? 4. How do available models perform in the prediction of specific methane yield of different crops based on their lignocellulosic biomass composition and how could they be improved? To address research questions 1 and 2, field trials with amaranth and maize were conducted in southwest Germany in the years 2014 and 2015. Amaranth established well in both years. Its dark red inflorescences attracted many insects such as honeybees, wild bees and bumble bees. Therefore, a systematic implementation of amaranth into biogas crop rotations could significantly improve their socio-ecological value in terms of biodiversity conservation and landscape beauty. However, amaranth showed significantly lower dry matter yields (DMY) and specific methane yields (SMY), together resulting in lower methane yields than maize in both years. Therefore, breeding and an optimization of agricultural practices such as sowing density, planting geometry and fertilization management are required to make amaranth more competitive in comparison to maize. To address research question 2, the amaranth field trials mentioned above also included treatments of legume intercropping with runner bean (RB, Phaseolus vulgaris L.) and white clover (WC, Trifolium repens, L.). The RB and WC developed equally well in amaranth and maize each year. For both amaranth and maize, the RB share of total DMY was low (5-10%) and did not significantly affect the total DMY. By contrast, WC had a significant negative effect on the DMY. Overall, the spatial diversification ‘legume intercropping’ could considerably improve the socio-ecological value of amaranth cultivation in terms of biodiversity conservation, greenhouse gas (GHG) mitigation and soil protection. For research question 3, two different wild plant mixtures (WPM) were cultivated on three sites in southwest Germany from the years 2011 to 2015. At each location, the WPM showed great potential for both biodiversity conservation and ecosystem resilience. Numerous insect species were observed in the WPM stands each year, indicating WPM as a relevant cropping system for habitat networking. Furthermore, the aesthetic appearance of the WPM stands over the years demonstrated the potential positive effect WPM cultivation could have on the public perception of biogas production. The DMY of the WPM varied strongly depending on (i) the initial composition of species sown, (ii) the establishment procedure, (iii) the environmental conditions, (iv) the pre-crop, and (v) the number of predominant species. WPM were found to have low demands for fertilization and crop protection. Thus, WPM appear a promising low-input cropping system for the promotion of biodiversity conservation, habitat networking, soil and water protection, GHG mitigation and climate change adaptation. However, high DMY gaps remain a challenge for the practical inclusion of WPM in existing biogas cropping systems. With respect to research question 4, a meta-analysis revealed that available models proved to be much less precise than expected. Although outperforming all available models, the correlation of the new models was still low (up to r = 0.66). It was also found that non-linear terms are of less importance than crop-specific regressors including the intercept. This indicates that across-crop models including crop-specific configurations could help to improve the identification of alternative crops and cropping systems for a more diverse biogas crop cultivation in the future.

Für alle landwirtschaftlichen Nutzrichtungen werden vielfältigere Anbausysteme erfordert, insbesondere im Hinblick auf Ökosystemfunktionen wie die Förderung der Agrarbiodiversität und die Vorbereitung auf landwirtschaftlich relevante Folgen des Klimawandels. Dieser Mehr-bedarf landwirtschaftlicher Vielfalt wird insbesondere beim Anbau von Biogaspflanzen in Deutschland deutlich, wo derzeit Mais aufgrund seiner hervorragenden Methanertrags-leistung dominiert. Der Ökosystemwert des Maisanbaus nimmt jedoch ab, wenn die gute fachliche Praxis nicht eingehalten wird. Darüber hinaus führte der geringe ästhetische Wert von Mais zu einem negativen Ruf der Biogasproduktion in der Gesellschaft. Um die Vielfalt der Anbausysteme für die Biogasproduktion zu erhöhen, müssen alternative Biogaspflanzen wie Amaranth und Wildpflanzenmischungen hinsichtlich ihrer Ertragsleistung und der Biogassub-stratqualität untersucht werden. Das Forschungsziel dieser Studie war die Entwicklung von Strategien zur landwirtschaftlichen Diversifizierung von Anbausystemen für die Biogaspro-duktion. Zu diesem Zweck wurden die folgenden Forschungsfragen formuliert: 1. Welches Potential bietet Amaranth als Biogaspflanze im Vergleich zu Mais und was sind die größten Chancen und Herausforderungen einer großflächigen Implementierung des Amaranthanbaus? 2. Wie ist die "Leguminosen-Mischkultur" als räumliche Diversifizierung bei Amaranth im Vergleich zu Mais zu beurteilen und was sind die größten Chancen und Herausforderungen für deren praktische Umsetzung? 3. Was leisten mehrjährige Wildpflanzenmischungen bei der Biomasseproduktion in Bezug auf Ertrag, Qualität und Artenvielfalt langfristig und was sind relevante agronomische Faktoren? 4. Wie eignen sich verfügbare Modelle zur Vorhersage des spezifischen Methanertrags ver-schiedener pflanzlicher Biogassubstratarten auf Grundlage ihrer Faserzusammensetzung und wie können die Modelle verbessert werden? Um Forschungsfragen 1 zu beantworten, wurden Feldversuche mit Amaranth und Mais im Südwesten Deutschlands in den Jahren 2014 und 2015 durchgeführt. Der Amaranth hat sich in beiden Jahren gut etabliert. Seine dunkelroten Blütenstände zogen viele Insekten wie Honigbienen, Wildbienen und Hummeln an. Eine systematische Implementierung von Ama-ranth in bestehende Biogas-Fruchtfolgen könnte daher ihren sozial-ökologischen Wert im Hinblick auf Biodiversitätsschutz und Landschaftsästhetik deutlich verbessern. Amaranth zeig-te jedoch deutlich niedrigere Trockenmasseerträge (TME) und spezifische Methanerträge als Mais, was in beiden Jahren zu niedrigeren Methan-Hektarerträgen führte. Daher sind weitere Züchtungsmaßnahmen sowie eine fortwährende Optimierung der Anbaumethode hinsichtlich relevanter Anbaufaktoren wie Saatdichte, Pflanzgeometrie und Düngemanagement erforder-lich, um Amaranth im Vergleich zu Mais wettbewerbsfähiger zu machen. Um Forschungsfrage 2 zu beantworten, beinhalteten die oben genannten Amaranth-Feldver-suche auch Leguminosen-Mischkultur-Varianten mit Stangenbohne (SB, Phaseolus vulgaris L.) und Weißklee (WK, Trifolium repens, L.). SB und WK entwickelten sich in Amaranth und Mais jedes Jahr gleichermaßen gut. Sowohl für Amaranth als auch für Mais war der SB-Anteil am gesamt-TME gering (5-10%) und hatte keinen signifikanten Einfluss auf den gesamt TME. Im Gegensatz dazu hatte WK einen signifikanten negativen Einfluss auf den TME. Insgesamt könnte die Leguminosen-Mischkultur als räumliche Diversifizierung den sozial-ökologischen Wert des Amaranthanbaus in Bezug auf Biodiversitätsschutz, Treibhausgasminderung und Bodenschutz erheblich verbessern. Für Forschungsfrage 3 wurden zwei verschiedene Wildpflanzenmischungen (WPM) an drei Standorten im Südwesten Deutschlands in den Jahren 2011 bis 2015 angebaut. An jedem Standort zeigten die WPM ein großes Potenzial für den Biodiversitätsschutz und die Resilienz der Ökosysteme. In den Pflanzbeständen der WPM wurden jedes Jahr zahlreiche Insekten-arten beobachtet, was auf ein großes Potential von WPM für die Habitat-Vernetzung im Landwirtschaftlichen Raum hinweist. Darüber hinaus zeigte das ästhetische Erscheinungsbild der Pflanzbestände der WPM im Laufe der Jahre, welche potenziell positiven Auswirkungen der Anbau von WPM auf die öffentliche Wahrnehmung der Biogasproduktion haben könnte. Der TME der WPM variierte stark in Abhängigkeit von (i) der anfänglichen Kombination ausge-säter Arten, (ii) dem Etablierungsverfahren, (iii) den Umweltbedingungen, (iv) der Vorkultur und (v) der Anzahl dominanter Arten. Ferner wurde festgestellt, dass WPM einen geringen Bedarf an Düngung und Pflanzenschutz haben. Insgesamt zeigten sich beide WPM als viel-versprechende Anbausysteme zur Biomasseproduktion unter Aspekten der Förderung des Biodiversitätsschutzes, der Habitatvernetzung, des Boden- und Gewässerschutzes, der Treib-hausgasminderung und der Anpassung an den Klimawandel. Tendenziell niedrige TME bleiben jedoch eine Herausforderung für eine großflächige Implementierung von WPM in bestehende Biogas-Fruchtfolgen. In Bezug auf Forschungsfrage 4 ergab eine Meta-Analyse, dass alle verfügbaren Modelle ungenauer waren als erwartet. Zwar waren die neu entwickelten Modelle besser, wiesen aber noch immer eine geringe Korrelation auf (bis r = 0,66). Es wurde auch festgestellt, dass nicht-lineare Parameter von geringerer Bedeutung sind als pflanzenart-spezifische Regressoren ein-schließlich des Gesamteffekts. Dies deutet darauf hin, dass pflanzenart-übergreifende Modelle einschließlich pflanzenart-spezifischer Konfigurationen dazu beitragen könnten, die Identifizierung alternativer Pflanzenarten und Anbausysteme für eine Diversifizierung des Biogaspflanzenanbaus in Zukunft zu verbessern.