Fruchtfolgen für optimierte Nutzung der Bodenressourcen: Mischanbau allorhizer und homorhizer Arten zur komplementären Durchwurzelung des Ober- und Unterbodens (Verbundvorhaben)

Kemper, Roman; Seidel, Sabine; Hadir, Sofia; Schmittmann, Oliver; Oltmanns, Meike; Brock, Christopher; Legner, Nicole; Peth, Stephan and Göbel, Marc-OIiver (2024) Fruchtfolgen für optimierte Nutzung der Bodenressourcen: Mischanbau allorhizer und homorhizer Arten zur komplementären Durchwurzelung des Ober- und Unterbodens (Verbundvorhaben). [Crop sequences for optimized use of soil resources: Combining taprooted and fibrous crops for complementary root growth in top- and subsoil.] 1. Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, D-Bonn 2. Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, D-Bonn 3. Universität Kassel, D-Kassel 4. Georg-August-Universität Göttingen, D-Göttingen 5. Forschungsring e.V., D-Darmstadt 6. Leibniz Universität Hannover, D-Hannover .

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Summary in the original language of the document

Das hier beschriebene Verbundvorhaben umfasst folgende Teilprojekte: FKZ 18OE024, FKZ 18OE045, FKZ 18OE046, FKZ 18OE047, FKZ 18OE048, FKZ 18OE142
Um Ertragslücken im ökologischen Ackerbau zu schließen, sollen durch die Ausbildung ausgedehnter Wurzelsysteme und die durch Pflanzenwurzeln verbesserte Bodenstruktur die Mobilisierung von Nährstoffen aus der Festphase des Bodens optimiert, sowie bisher nicht vollständig genutzte Wasser-
reserven im Unterboden erschlossen werden. Dazu ist ein vertieftes Verständnis der Wurzel-Boden-Interaktion sowie des Wurzelwachstums im Gemenge im Vergleich zu Reinsaaten wichtig. Hier setzte das Forschungsprojekt MIKODU (Fruchtfolgen für optimierte Nutzung der Bodenressourcen: Mischanbau allorhizer und homorhizer Arten zur komplementären Durchwurzelung des Ober- und Unterbodens) an. Es beschäftige sich mit der Durchwurzelung von Futterpflanzen und Zwischenfrüchten und deren Wirkung auf Nachfrüchte, Bodenstruktur, Bodenwasserhaushalt, Stickstoffdynamik sowie Humusbildung. Dabei stand der Vergleich von Zwischenfrucht- und Futterpflanzen-Mischungen mit Reinsaaten im Fokus. In einem Feldversuch am Sand-Standort Hofgut Oberfeld in Darmstadt wurden zweijährig Mischungen und Reinsaaten allorhizer und homorhizer Futterpflanzen sowie eine Kontroll-Variante ohne Futter-
pflanzen angebaut. Anschließend erfolgte der Anbau der Nachfrüchte Sommerweizen und Winterroggen. Am Auenlehm-Standort Wiesengut in Hennef an der Sieg wurden in zwei Jahren Feldversuche mit Zwischenfruchtreinsaaten und -mischungen angelegt. Die Mischungen wurden aus allorhiz und
homorhiz wurzelnden Zwischenfruchtarten zusammengesetzt. Zur Bewertung der Vorfruchtwirkung wurde Sommerweizen angebaut. In einem dritten Versuch, ebenfalls am Wiesengut, wurde die
meliorative Wirkung pfahlwurzelnder Kulturpflanzen in einem verdichteten Vorgewende untersucht. Dazu wurden verschiedene Varianten von Zwischenfrüchten und Futterpflanzen angebaut und anschließend der Ertrag und die Durchwurzelung der Nachfrüchte Sommerweizen und Winterroggen untersucht.
Zur Erfassung der Wurzelmerkmale wurden die Profilwandmethode und die Monolithmethode angewendet. Die Bioporendichte wurde mittels Fotographie und digitaler Bildauswertung erfasst. Die Fourier-Transform-Infrarot Spektroskopie wurde zur Wurzelartentrennung der Mischungen genutzt. Messungen mit einem Penetrometer wurden zur Erhebung der Eindringwiderstände verwendet. Stechzylinder wurden für die Analyse der bodenphysikalischen Parameter entnommen. Darüber hinaus wurden Modellierungen mit SIMPLACE zur Quantifizierung der Stickstoff-Dynamik im
Zwischenfruchtanbau, mit HYDRUS-1D zur Simulation des Bodenwasserhaushalts sowie mit HUMOD zur Quantifizierung der Humusbildung durchgeführt. Im Futterpflanzen-Versuch am Hofgut Oberfeld erreichten Luzerne und Luzerne-Rohrschwingel-Mischungen die höchsten Spross- und Wurzeltrockenmassen. Eine intensive Durchwurzelung des
Unterbodens erreichte die Luzerne, eine intensive Durchwurzelung des Oberbodens die Gräser. Zudem zeigte Luzerne das höchste Potential zur Erhöhung der Bioporendichte. Im Zwischenfruchtversuch am Wiesengut zeigte das Screening mit der Profilwandmethode unterschiedliche Wurzeltypen. Mischungseffekte für Spross- und Wurzeltrockenmasse der Zwischenfruchtmischungen waren gering oder nicht vorhanden. Hingegen zeigten sich, insbesondere in
Mischungen mit Ölrettich, hohe Mischungseffekte für die Durchwurzelungsintensität im Unterboden. Winterharte Zwischenfrüchte wiesen geringe Stickstoffverluste über Winter und niedrige C/N-Verhältnisse auf. Die Unterschiede in den Kornerträgen der Nachfrucht Sommerweizen waren gering, mit höchsten Erträgen nach legumen Zwischenfrüchten.
Im Vorgewende-Versuch am Wiesengut zeigte der Anbau von pfahlwurzelnden Futterpflanzen, insbesondere von Wegwarte, ein höheres Bioporengenesepotential im verdichtenden Unterboden im Vergleich zu Zwischenfrüchten. Jedoch konnte bisher kein signifikanter Ertragsvorteil in den Getreide-
Nachfrüchten nach diesen Pflanzen festgestellt werden. Die Wegwarte und die Wegwarte-Rohrschwingel-Mischung zeigten Tendenzen zur Bodenlockerung und Erhöhung der Luftkapazität.
Die Modellierung ergab, dass Leguminosen und ihre Mischungen positiv zur Humusbilanz beitrugen, wobei der Humusaufbau durch Futterpflanzen höher war als durch Zwischenfrüchte.
Insgesamt sind die Ergebnisse des gesamten Projektes ein wichtiger Schritt zu einem tieferen Verständnis von Dynamiken in Mischungen von Kulturpflanzen sowie der Wurzel-Boden-Interaktion.

Summary translation

One strategy for closing yield gaps in organic arable farming is to develop extensive root systems and improve soil structure through plant roots, thereby optimising the mobilisation of nutrients from the solid phase of the soil and of underutilised water reserves in the subsoil. To achieve this, a deeper understanding of root-soil interaction and root growth in mixtures compared to pure stands is essential. This is the focus of the MIKODU research project (Crop rotations for optimised use of soil
resources: mixed cultivation of allorhizous and homorhizous species for complementary rooting of the topsoil and subsoil). It dealt with the rooting of forage and cover crops and their effect on subsequent crops, soil structure, soil water balance, nitrogen dynamics and humus balance. The focus was on the comparison of cover and forage crop mixtures with pure stands. In a field trial at the sandy site Hofgut Oberfeld in Darmstadt, mixtures and pure stands of allorhizous and homorhizous forage crops and a control treatment without forage plants were grown for two years. Subsequently, the cash crops spring wheat and winter rye were cultivated. At the alluvial loam site Wiesengut in Hennef (Sieg), two years of field trials were carried out with cover crop pure stands and mixtures. The mixtures were composed of allorhizous and homorhizous rooted cover crop species. Spring wheat was cultivated as the subsequent crop. In a third trial, also at the Wiesengut, the meliorative effect of taprooted crops was investigated in a compacted headland. For this purpose, different treatments of cover and forage crops were cultivated; subsequently the yield and rooting of the subsequent crops spring wheat and winter rye were analysed. The profile wall method and the monolith method were used to record root traits. The biopore density
was recorded using photography and digital image analysis. Fourier transform infrared spectroscopy was used to separate the root mass into the species of the mixtures. Measurements with a penetrometer were used to determine the penetration resistance. Soil cylinders were taken to analyse the soil physical parameters. Modelling was carried out with SIMPLACE to quantify nitrogen dynamics in cover cropping, with HYDRUS-1D for the soil water balance and with HUMOD for the humus balance. In the forage crop trial at Oberfeld, lucerne and the lucerne-tall fescue-mixture reached the highest
shoot and root dry masses. Lucerne achieved intensive rooting of the subsoil, while grasses achieved intensive rooting of the topsoil. In addition, lucerne showed the highest potential for increasing biopore density. In the cover cropping trial at the Wiesengut, screening with the profile wall method showed different root types. Mixture effects for shoot and root dry mass of the intercrop mixtures were low or non-existent. On the other hand, there were high mixture effects for rooting intensity in the subsoil, especially in mixtures with oil radish. Winter-hardy cover crops showed low nitrogen losses over winter
and low C/N ratios. The differences in the grain yields of the subsequent spring wheat were small, with the highest yields after leguminous cover crops. In the headland trial at the Wiesengut, the cultivation of taprooted forage crops, especially chicory, showed a higher biopore generating potential in the compacted subsoil compared to cover crops.
However, no significant yield advantage in the subsequent cereal cash crops after these plants could be determined so far. Chicory and the chicory-tall fescue-mixture showed tendencies to loosen the soil
and increase air capacity. The modelling showed that legumes and their mixtures contributed positively to the humus balance, whereby the humus formation by forage crops was higher than by cover crops. Overall, the results of the entire project are an important step towards a deeper understanding of dynamics in crop mixtures and root-soil interactions.

EPrint Type:	Report
Keywords:	BÖL, BOEL, FKZ 18OE024, FKZ 18OE045, FKZ 18OE046, FKZ 18OE047, FKZ 18OE048, FKZ 18OE142, Ökologischer Landbau, organic farming, Klimaanpassung, climate change adaptation, Ackerbau, crop production, Boden (Bodenschutz, Bodenfruchtbarkeit, Bodenbearbeitung, Bodengesundheit), soil (soil conservation, soil fertility, soil cultivation, soil health)
Agrovoc keywords:	Language Value URI German - Deutsch UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Subjects:	Soil
Research affiliation:	Germany > Federal Organic Farming Scheme - BOEL Germany > Federal Agency for Agriculture and Food - BLE Germany > University of Bonn Germany > University of Göttingen Germany > University of Hannover - LUH Germany > University of Kassel Germany > Other organizations Germany
Related Links:	https://www.bundesprogramm.de/
Deposited By:	Geschäftsstelle Bundesprogramm Ökologischer Landbau, Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE)
ID Code:	52571
Deposited On:	05 Feb 2024 12:02
Last Modified:	26 Mar 2024 10:59
Document Language:	German/Deutsch
Status:	Unpublished
Refereed:	Submitted for peer-review but not yet accepted

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