Homorhize und allorhize Wurzelsysteme: Vorfruchtwirkungen mehrjähriger Futterpflanzen auf die Ertragsbildung von Kulturpflanzen

Abstract

Seit dem Jahr 2007 wird ein mehrfaktorieller Feldversuch zu Früchtefolgen mit Feldfutterpflanzen auf dem Campus Klein-Altendorf nahe Bonn durchgeführt. Das Futter wird nicht geworben, sondern verbleibt nach Mulchschnitten zur Nutzungsreife auf dem Feld. In diesem Versuch (<em>CeFiT</em>) wurden Unterschungen an Futterpflanzen und darauf folgenden Nachfrüchten vorgenommen. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, Vorfruchtwirkungen von Futterpflanzen in verschiedenen Früchtefolgen vorzustellen. <br /> Der Versuchsfaktor Vorfruchtart umfasste die Futterpflanzen Luzerne (<em>Medicago sativa</em> L.), Wegwarte (<em>Cychorium intybus</em> L.) und Rohrschwingel (<em>Festuca arundinacea</em> Schreb.). Die Arten unterscheiden sich u. a. bezüglich der Wurzelmorphologie (Luzerne und Wegwarte: allorhiz; Rohrschwingel: homorhiz). Es wurde vermutet, dass die allorhizen Vorfrüchte mehr großlumige Bioporen schaffen als Rohrschwingel. Zudem wurde nach Luzerne eine höhere residuale Stickstoffmenge erwartet. Weiterhin wurde angenommen, dass sowohl eine höhere Bioporendichte als auch eine höhere Residualstickstoffmenge günstige Vorfruchteffekte sind. Der Versuchsfaktor Anbaudauer der Vorfrucht umfasste eine Kulturdauer von einem, zwei und drei Jahren. Erwartet wurde, dass mehrjähriger Anbau zu intensiverer Bioporung sowie bei Luzerne zu höherer Residualstickstoffmenge führt als einjähriger Anbau, so dass eine Verstärkung der Vorfruchteffekte eintritt. Die Annahmen wurden vornehmlich durch Sprossuntersuchungen an den Nachfrüchten Sommerweizen und Futtermalve (2010), Wintergerste und Winterraps (2011) sowie Winterroggen und Winterraps (2012) überprüft. Zudem wurden Infiltrationsmessungen und Untersuchungen zur Stickstoffdynamik der Bioporenwandung (Drilosphäre) durchgeführt. <br /> Die Vorfruchtart hatte einen größeren Einfluss auf die Nachfrüchte als die Anbaudauer der Vorfrucht. Zumeist war Luzerne eine günstigere Vorfrucht als Wegwarte und/oder Rohrschwingel. Da sich Luzerne und Wegwarte wurzelmorphologisch ähneln, wurde die günstigere Vorfruchtwirkung der Luzerne der Stickstoffwirkung der Leguminose zugeschrieben. Diese Schlussfolgerung wird durch Ergebnisse eines Düngungssteigerungs-versuchs mit Stickstoff und Messungen des mineralischen Bodenstickstoffs unterstützt, die auf eine dreijährig andauernde höhere Stickstoffnachlieferung nach Luzerne hinweisen. <br /> Der Einsatz des <em>Hood</em>-Infiltrometers auf dem Unterboden ermöglichte keine Rückschlüsse auf Gefügeänderungen. Im Unterschied dazu war ein neuer <em>tracer</em>-gestützter Ansatz zur Untersuchung der Stickstoffdynamik in der Drilosphäre zielführend. Die Ergebnisse deuten auf einen regenwurminduzierten Stickstoffeintrag in die Drilosphäre mindestens bis in 75 - 105 cm Bodentiefe hin. Es wurde eine Stickstoffaufnahme der Nachfrüchte Sommerweizen und Futtermalve unterhalb von 45 cm Bodentiefe nachgewiesen. <br /> Gaswechselmessungen am Pflanzenspross sowie Nährstoffuntersuchungen von Boden und Sprossbiomasse weisen darauf hin, dass im <em>CeFiT</em> die potentiell hohe Relevanz von Bioporen für die Wasser- und Nährstoffaufnahme von Pflanzen durch günstige Bodenhydrologie am Standort bzw. hohe Nährstoffgehalte im Oberboden zumeist überdeckt wurde.

<strong>Homorhizal and allorhizal root systems: precrop effects of perennial fodder crops on yield formation of cultivated plants</strong><br /> Since 2007 a factorial field trial concerning crop sequences containing perennial fodder cropping is carried out at the experimental farm Campus Klein-Altendorf near Bonn/Germany. The fodder is not harvested but mulched when flowering started each time. In the Central Field Trial (CeFiT) investigations were conducted on fodder crops as well as on following crops. The objective of this thesis is to evaluate precrop effects of distinct fodder cropping schemes on different subsequent crops. <br /> The factor precrop species included lucerne (<em>Medicago sativa</em> L.), chicory (<em>Cychorium intybus</em> L.), and tall fescue (<em>Festuca arundinacea</em> Schreb.). The species chosen differ in root architecture. Lucerne and chicory develop an allorhizal root system, and fescue forms a homorhizal one. It was expected that allorhizal precrops create more bigger sized biopores than fescue. Besides, a higher amount of residual nitrogen was predicted after lucerne. The expectation was that both higher biopore density and greater amount of residual nitrogen were favourable precrop effects. The factor duration of precrop cultivation included one, two, and three years. Perennial cropping was expected to exhibit more intensive forming of biopores and, in case of lucerne, to result in a higher amount of residual nitrogen than annual cropping. Thus, intensified precrop effects were predicted. The expectations were tested primarily by investigating shoot parameters of spring wheat and mallow (2010), winter barley and winter rapeseed (2011), and winter rye and winter rapeseed (2012). Additionally, measuring of infiltration rates as well as investigations of nitrogen dynamics of biopore walls (drilosphere) were carried out. <br /> The factor precrop species had a stronger influence on following crops than the factor duration of precrop cultivation. Frequently, lucerne caused more favourable precrop effects than chicory and fescue. Given the fact that allorhizal root architecture of lucerne and chicory were similar to each other, the more favourable precrop effect of lucerne was presumably being caused by higher amounts of residual nitrogen. This assumption was indorsed by results of a fertiliser trial including staggered nitrogen application to spring wheat as well as by results of measurements of mineral soil nitrogen. Both investigations hinted at a higher nitrogen level in soil for three years due to lucerne precrop compared to chicory and fescue. <br /> Hood-Infiltrometer measurements could not reveal the subsoil structure changes which were detected by biopore counting. In contrast to that, a new tracer-based approach to investigate nitrogen dynamics of the drilosphere was promising. Results of this approach proposed nitrogen input caused by earthworms into drilosphere at least up to 75 - 105 cm soil depth. Nitrogen uptake of following spring wheat and mallow from subsoil deeper than 45 cm soil depth was shown. <br /> Measurements of shoot gas exchange as well as nutrient analysis of soil and shoot biomass proposed that potentially high relevance of biopores for water and nutrient uptake by plants was masked by favourable soil hydrology and high nutrient content of the CeFiTs top soil.