Effects of mixing multiple spring wheat and faba bean cultivars in variable densities and environments

Abstract

Intercropping, the practice of cultivating two or more crop species together, is widely recognized as a sustainable crop production system. This approach is valued for its ability to enhance production, stabilize crop performance, and mitigate the effects of extreme climate conditions compared to monoculture. Despite these benefits, there is limited quantitative evidence on the effects of mixtures on compensation and early developmental stages. Additionally, the impact of different cultivars on intercropping under various environmental and management conditions remains largely unexplored. <br /> To address these gaps, we evaluated the mixing abilities of twelve spring wheat entries (ten cultivars and two cultivar mixtures) and two faba bean cultivars under two sowing densities in three environments. Variability among cultivars was created in terms of plant height. We collected data on crop emergence (plants m-2), crop biomass (dry matter), and total grain yield to quantify compensation and measure the effects of the mixture in early and final crop development stages. <br /> Our findings revealed greater biomass compensation in mixtures compared to monocultures, predominantly stemming from the weaker competitor, faba bean. Positive mixture effects on crop emergence were also observed. However, spring wheat emerged as the dominant partner in all three environments. Its dominance, without suppressing faba bean, was evident from the time of emergence and had a legacy effect on plant biomass throughout the later growth stages. Moreover, a highly significant effect of environments and sowing densities was observed, with significant two-way interactions of spring wheat cultivars with multiple factors on total grain yield in the mixture. Additionally, in one environment, spring wheat height was weakly correlated with total grain yield in the mixture. <br /> Our findings underscore the importance of selecting tailored combinations of cereals and legumes, along with appropriate management strategies, to enhance functional complementarity and overall productivity in intercropping. However, the complex nature of these interactions presents a significant challenge. We recommend managing spring wheat dominance early in the growth phase to regulate competition in mixed crops and improve complementarity. Future studies should focus on crop traits that enable a high mixture effect through complementarity and compensation.

Der Anbau von Mischkulturen, d. h. der gemeinsame Anbau mehrerer Pflanzenarten, ist weithin als nachhaltiges Anbausystem anerkannt. Dieser Ansatz wird wegen seiner Fähigkeit geschätzt, die Erträge zu steigern, die Ertragsstabilität zu erhöhen und die Auswirkungen extremer Klimabedingungen im Vergleich zu Monokulturen abzumildern. Trotz dieser Vorteile gibt es nur wenige quantitative Daten über die Auswirkungen von Mischungen auf die Kompensation und die frühen Entwicklungsstadien. Darüber hinaus sind die Auswirkungen verschiedener Kultursorten auf Mischkulturen unter verschiedenen Umwelt- und Bewirtschaftungsbedingungen noch unerforscht. <br /> Um diese Lücken zu schließen, haben wir die Mischungsfähigkeit von zehn Sommerweizensorten, zwei Sortenmischungen aus diesen Sorten und zwei Ackerbohnensorten unter zwei Aussaatdichten in drei Umwelten untersucht. Die Variabilität zwischen den Sorten wurde in Bezug auf die Pflanzenhöhe ermittelt. Es wurden Daten zum Pflanzenaufgang (Pflanzen m^-2), zur Biomasse (Trockenmasse) und zum Gesamtertrag der Körner erhoben, um die Kompensation zu quantifizieren und die Auswirkungen der Mischung in den frühen und letzten Entwicklungsstadien der Pflanzen zu messen. <br /> Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Biomasse in Mischungen im Vergleich zu Monokulturen stärker kompensiert wird, was vor allem auf den schwächeren Konkurrenten, die Ackerbohne, zurückzuführen ist. Es wurden auch positive Auswirkungen der Mischung auf den Pflanzenaufgang beobachtet. Sommerweizen erwies sich jedoch in allen drei Umwelten als der dominante Partner. Seine Dominanz, ohne die Ackerbohne zu verdrängen, zeigte sich bereits zum Zeitpunkt des Auflaufens und wirkte sich in den späteren Wachstumsstadien auf die Pflanzenbiomasse aus. Darüber hinaus wurde ein hochsignifikanter Einfluss von Umweltbedingungen und Aussaatdichten beobachtet, mit signifikanten Zwei-Wege-Wechselwirkungen von Sommerweizensorten mit mehreren Faktoren auf den Gesamtkornertrag in der Mischung. Darüber hinaus war in einer Umwelt die Höhe des Sommerweizens nur schwach mit dem Gesamtkornertrag in der Mischung korreliert. <br /> Unsere Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, maßgeschneiderte Kombinationen von Getreide und Leguminosen zusammen mit geeigneten Bewirtschaftungsstrategien auszuwählen, um die funktionale Komplementarität und die Gesamtproduktivität im Anbau von Mischkulturen zu verbessern. Die komplexe Natur dieser Wechselwirkungen stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Wir empfehlen, die Dominanz des Sommerweizens früh in der Wachstumsphase zu steuern, um die Konkurrenz in Mischkulturen zu regulieren und die Komplementarität zu verbessern. Künftige Studien sollten sich auf Pflanzeneigenschaften konzentrieren, die durch Komplementarität und Kompensation einen hohen Mischeffekt ermöglichen.