Mechanismen der Phosphor-Akquise von Nutzpflanzen in Mischkulturen
Die größte Herausforderung der Landwirtschaft besteht darin, die Nahrungsmittelproduktion zu steigern und gleichzeitig Umweltbelastungen und Ressourcenverbrauch zu reduzieren. Mischkulturen, also der gleichzeitige Anbau von mindestens zwei Pflanzenarten in unmittelbarer Nähe, gelten hier als vielversprechender Ansatz, da sie im Vergleich zu Monokulturen potentiell höhere Erträge (Ertragssteigerungen) bei geringerem Flächen- und Ressourcenverbrauch (z.B. Düngemittel) erzielen. Die Ertragssteigerungen in Mischkulturen sollen aus ober- und unterirdischen interspezifischen Pflanzeninteraktionen resultieren, die die „4K“ von Konkurrenz, Kompensation, Komplementarität und Kooperation (Förderung bzw. „facilitation“) umfassen. Es hat sich auch gezeigt, dass Mischkulturen die Nährstoffgehalte der Pflanzen erhöhen, obwohl die zugrunde liegenden Mechanismen der Nährstoffakquise noch nicht vollständig verstanden sind. Die vorliegende Dissertation untersuchte deshalb, wie unterirdische Mechanismen der pflanzlichen Stickstoff- (N) und insbesondere Phosphor- (P) Aneignung in Mischkulturen zu Ertragssteigerungen von Mais beitragen.
Um die Auswirkungen von Mischkulturen auf Pflanzenernährung und -produktivität zu untersuchen, wurden vier Fallstudien durchgeführt, in denen verschiedene Versuchsarten und mehrere Pflanzenkombinationen mit wahrscheinlich unterschiedlichen Mechanismen der Nährstoffaneignung kombiniert wurden. Ein zweijähriger Feldversuch (Studie I, mit weiteren Untersuchungen in Studie II) wurde durch drei Gewächshausversuche ergänzt, von denen einer mit Boden aus dem Feldversuch (d. h. mit verschiedenen N- und P-Quellen; Studie II) und zwei mit Mineralsubstrat (d. h. mit definierten N- und P-Quellen; Studien III und IV) durchgeführt wurden. In allen Versuchen wurde Mais (Zea mays L.) als Hauptkultur angebaut, während Ackerbohne (Vicia faba L.), Sojabohne (Glycine max (L.) Merr.), blaue Süßlupine (Lupinus angustifolius L.) und weißer Senf (Sinapis alba L.) als Nebenkulturen angebaut wurden.
Die Dissertation zeigte, dass Misch- gegenüber Monokulturen zu Ertragssteigerungen und erhöhten N- und P-Gehalten der Maispflanzen im Feldversuch führten, insbesondere in Mischkulturen mit Soja und Lupine. Geringere, aber dennoch positive Effekte auf die Maisproduktivität wurden auch in Mischkulturen mit Ackerbohne (bei gleichzeitiger Aussaat in 2019) und Senf festgestellt. Ertragssteigerungen wurden in Mischkulturen mit Leguminosen hauptsächlich durch unterirdische und in Mischkultur mit Senf vor allem durch oberirdische interspezifische Interaktionen verursacht. Leguminosen verbesserten die Mais-N-Aneignung in Mischkulturen durch ihre Fähigkeit, atmosphärischen N2 symbiotisch zu fixieren, der teilweise zu den Maispflanzen transferiert wurde, was sowohl auf N-Komplementarität als auch auf N-Förderung („facilitation“) hindeutet. Bis zu 20% des N-Gehalts der oberirdischen Mais-Biomasse im Feldversuch stammten somit von Leguminosen. Auch Senf erhöhte die Mais-N-Aneignung in Misch- gegenüber Monokultur leicht, wahrscheinlich durch Kompensation und/ oder Komplementarität.
Darüber hinaus zeigte die Dissertation, dass alle Nebenkulturen generell höhere P-Gehalte (pro Pflanze) und/oder höhere P-Konzentrationen (pro Gramm Biomasse) als Mais aufwiesen, was darauf hindeutet, dass sie P aus schwerlöslichen Quellen effektiver mobilisierten als Mais. Die drei Leguminosen zeigten hohe Phosphomonoesterase-Aktivitäten in der Rhizosphäre und exsudierten große Mengen an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC). Die Leguminosen exsudierten auch große Mengen an Anionen organischer Säuren mit niedrigem Molekulargewicht (LMWOA) in die Rhizosphäre. Zusätzlich senkte die Ackerbohne den pH-Wert der Rhizosphäre und Senf erhöhte ihn. Diese Veränderungen in der Rhizosphäre der Nebenkulturen mobilisierten wahrscheinlich P aus organischen (über hohe Phosphomonoesterase-Aktivitäten und eventuelle Stimulierung von Mikroorganismen durch DOC) und anorganischen P-Quellen (über pH-Änderungen in der Rhizosphäre und hohe LMWOA-Exsudation). Die hohen Wurzellängen von Ackerbohne, Soja und Senf begünstigten wahrscheinlich die P-Aufnahme der Pflanzen, zumindest nach P-Mobilisierung. Insgesamt verwendeten die Nebenkulturen also spezies-spezifische Mechanismen der P-Mobilisierung, die mit dem P-„Mining“ (Exsudation P-mobilisierender Verbindungen), der Wurzelsuche („root foraging“) und der Stimulierung nützlicher Mikroorganismen assoziiert werden können. In Mischkulturen waren diese Mechanismen wahrscheinlich auch für die P-Aneignung des Mais von Vorteil aufgrund von P-Komplementarität und P-Förderung („facilitation“) zwischen den Pflanzen.
Darüber hinaus zeigte die Dissertation erstmals, dass eine hohe LMWOA-Konzentration in der Rhizosphäre in Mischkultur nicht nur durch eine hohe LMWOA-Freisetzung der Nebenkulturen verursacht wird, sondern auch durch eine erhöhte LMWOA-Exsudation des Mais, zumindest in Mischkultur mit Lupine. Damit stellt die Dissertation die verbreitete Ansicht in Frage, dass Leguminosen/Getreide-Mischkulturen gegenüber Monokulturen aufgrund der hohen P-Mobilisierungskapazität der Leguminosen vorteilhaft sind, von der das Getreide einfach nur profitiert. Folglich liefert der Befund, dass die Anwesenheit der Lupine die Exsudation von Mais beeinflusste, neue Erkenntnisse zu den Mechanismen, die der P-Aneignung in Mischkulturen zugrunde liegen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gesteigerte Maisproduktivität in Mischkulturen wahrscheinlich das Ergebnis einer verringerten N- und P-Konkurrenz infolge der kombinierten Wirkung von kompensatorischen, komplementären und förderlicher Pflanzeninteraktionen war. Folglich sind Mischkulturen mit ihren positiven Auswirkungen auf Produktivität und N- und P-Aneignung der Pflanzen vielversprechend, um Ernährungssouveränität zu erreichen und die Abhängigkeit von Industriedüngern, wie denen aus begrenztem Phosphatgestein, zu verringern. Mischkulturen sollten daher als integraler Bestandteil einer größeren landwirtschaftlichen Transformation betrachtet werden, um künftige Bedürfnisse innerhalb der planetaren Grenzen (gerecht) zu erfüllen.