Effects of biological and technical subsoil amelioration on root growth and crop performance in cereal crops

Abstract

In the face of climate change, optimizing root systems to enhance subsoil water and nutrient extraction is increasingly vital for resilient and efficient crop production. Subsoil amelioration approaches such as deep tillage, compost application in the upper subsoil, crop rotations could play an important role to enhance deeper root growth, resource acquisition from subsoil and creation of biopores. Intercropping of cereals and legumes provides a suitable approach to study root growth dynamics in subsoil and utilization of biopores. These approaches advance understanding of how integrated biological and technical subsoil amelioration strategies can optimize root growth, improve subsoil function, and ultimately increase crop productivity. This thesis presents three complementary field studies in Germany focused on subsoil resource exploitation in cereals and legumes. (i) The first study evaluated the combined effects of deep-rooted lucerne as a pre-crop and strip-wise deep tillage with compost on subsequent spring barley and winter wheat. (ii) The second study investigated genotype-dependent responses of spring barley and winter wheat to deep tillage and compost. (iii) The third study quantified root length density and biopore usage in spring wheat and faba bean grown in pure stands and mixtures. <br/> Findings demonstrated that (1) the lucerne together with deep tillage and compost increased subsoil root length density, rooting depth, nutrient uptake, and yield in spring barley under dry conditions, with limited benefits observed for winter wheat when water was abundant. <br/> (2) Deep soil tillage in combination with compost generally promoted root growth and nutrient uptake across genotypes, but yield responses varied, highlighting the importance of root traits in exploiting improved subsoil conditions. Environmental fluctuations across years were one of the key factors in determining the genotype-specific root responses to tillage + compost treatments. <br/> (3) The results of the third study showed that intercropping slightly improved overall root performance in the top soil as well as yield performance, affirming the potential productivity advantages of mixtures. Further, faba bean had a higher share of roots in biopores than wheat, especially in deeper soil layers. <br/> Collectively, these studies show that both biological (intercropping, pre-crops) and technical (deep tillage, compost) strategies can improve root exploration of the subsoil, crop resilience, and productivity especially under drought while revealing limited effects of genotype but more pronounced crop species interactions on the outcomes.

Angesichts des Klimawandels wird die Optimierung von Wurzelsystemen zur Verbesserung der Wasser- und Nährstoffaufnahme aus dem Unterboden für eine widerstandsfähige und effiziente Pflanzenproduktion immer wichtiger. Maßnahmen zur Unterbodenverbesserung wie Bearbeitung im Unterboden, Kompostzugabe im oberen Unterboden und Fruchtfolge könnten eine wichtige Rolle bei der Förderung eines tieferen Wurzelwachstums, der Ressourcengewinnung aus dem Unterboden und der Bildung von Bioporen spielen. Der Mischanbau von Getreide und Hülsenfrüchten bietet darüber hinaus einen geeigneten Ansatz, um die Dynamik des Wurzelwachstums im Unterboden und die Nutzung von Bioporen zu untersuchen. Diese Ansätze fördern das Verständnis dafür, wie integrierte biologische und technische Strategien zur Unterbodenmelioration das Wurzelwachstum optimieren, die Unterbodenfunktion verbessern und letztlich die Ernteerträge steigern können. Dieser Artikel stellt drei sich ergänzende Feldstudien in Deutschland vor, die sich mit der Nutzung von Unterbodenressourcen bei Getreide und Körnerleguminosen befassen. (i) Die erste Studie untersuchte die kombinierten Auswirkungen von tiefwurzelnder Luzerne als Vorfrucht und streifenweiser Bodenbearbeitung mit Kompost auf nachfolgende Sommergerste und Winterweizen. (ii) Die zweite Studie untersuchte die genotypabhängigen Reaktionen von Sommergerste und Winterweizen auf Unterbodenbearbeitung und Kompost. (iii) Die dritte Studie quantifizierte die Wurzellängendichte und die Bioporennutzung bei Sommerweizen und Ackerbohnen, die in Reinkulturen und Mischkulturen angebaut wurden. <br/> Die Ergebnisse zeigten, dass (1), Luzerne in Kombination mit Tiefenbearbeitung und Kompost die Wurzellängendichte im Unterboden, die Wurzeltiefe, die Nährstoffaufnahme und den Ertrag bei Sommergerste unter trockenen Bedingungen erhöhte, während bei Weizen unter wasserreichen Bedingungen nur begrenzte Vorteile beobachtet wurden. <br/> (2) Eine Bodenbearbeitung im Unterboden in Kombination mit Kompost förderte im Allgemeinen das Wurzelwachstum und die Nährstoffaufnahme bei allen Genotypen, aber die Ertragsreaktionen variierten, was die Bedeutung der Wurzelmerkmale für die Nutzung verbesserter Unterbodenbedingungen unterstreicht. Umweltschwankungen über mehrere Jahre hinweg waren einer der Schlüsselfaktoren für die genotypspezifischen Wurzelreaktionen auf Bodenbearbeitung + Kompostbehandlungen. <br/> (3) Die Ergebnisse der dritten Studie zeigten, dass der Gemengeanbau die Wurzelentwicklung im Oberboden sowie den Ertrag leicht verbesserte und damit die potenziellen Produktivitätsvorteile von Mischungen bestätigte. Darüber hinaus wies die Ackerbohne einen höheren Anteil an Wurzeln in Bioporen auf als Weizen, insbesondere in tieferen Bodenschichten. <br/> Insgesamt zeigen diese Studien, dass sowohl biologische (Mischkulturen, Vorfrüchte) als auch technische (tiefe Bodenbearbeitung, Kompost) Strategien die Wurzelausbreitung im Unterboden, die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen und die Produktivität verbessern können, insbesondere unter trockenen Bedingungen. Gleichzeitig zeigen sie, dass die Auswirkungen des Genotyps begrenzt sind, während die Wechselwirkungen zwischen den Pflanzenarten einen deutlicheren Einfluss auf die Ergebnisse haben.