Modelling competition between crops in mixed cropping systems

Der Klimawandel stellt eine Bedrohung für die landwirtschaftliche Produktion dar – insbesondere in Regionen, die stark auf intensive Anbaupraktiken angewiesen sind. Eine Möglichkeit, sich an den Klimawandel anzupassen und ihm entgegenzuwirken, ist die Diversifizierung des Pflanzenbaus. Sie kann dazu beitragen, die Degradierung von Ökosystemleistungen zu verlangsamen. Allerdings sind diversifizierte Anbausysteme komplexer in ihrer Funktionsweise und im Management, was ihre breite Anwendung bislang einschränkt. Prozessbasierte Pflanzenmodelle werden häufig eingesetzt, um die Auswirkungen von Umweltfaktoren und Bewirtschaftung auf das Pflanzenwachstum zu simulieren. Die Modellierung von diversifizierten Anbausystemen bleibt jedoch eine Herausforderung. Es wurden drei zentrale Wissenslücken identifiziert: 1. Bestehende Modelle für diversifizierte Systeme sind oft zu komplex oder zu wenig skalierbar. 2. Für das Management solcher Systeme fehlen klare Richtlinien. 3. Das Potenzial von diversifizierten Anbausystemen unter dem Klimawandel ist unzureichend quantifiziert. Ein Beispiel für ein solches System ist das Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur, bei dem Weizen und Soja reiheweise auf demselben Feld wachsen, wobei der Weizen mehrere Monate vor der Sojabohne gesät wird. In drei detaillierten Studien wurden die oben genannten Wissenslücken näher untersucht: 1. Es wurde eine einfache Modellierungsroutine zur Simulation von Licht- und Wasserkonkurrenz entwickelt, basierend auf dem bestehenden MONICA-Modell (Modell für Stickstoff und Kohlenstoff in Agrarökosystemen). Durch den geringen Parametrisierungsaufwand eignet sich die Routine auch für großflächige Simulationen. Die Routine basiert auf der Annahme eines geteilten Blattwerks und einer priorisierten Wasseraufnahme durch die zuerst gesäte Kultur. Sie wurde mit Daten eines dreijährigen Feldversuchs kalibriert und validiert. Drei verschiedene Kalibrierungsstrategien wurden getestet, wodurch deutlich wurde, wie wichtig es ist, Wechselwirkungen zwischen Genotyp, Umwelt und Management in der Modellierung zu berücksichtigen. 2. Aufgrund der im Feldversuch beobachteten Trockenstresssituationen wurde die neue Routine eingesetzt, um die Bewässerung im Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur zu optimieren. Untersucht wurden der Einfluss von Bewässerungszeitpunkt, -menge und Bodentextur auf den Ertrag. Eine Bewässerung während der Überlappungsphase beider Kulturen führte zu einer deutlichen Steigerung des Soja- und Gesamtertrags. Zum Beispiel erhöhte sich der Sojaertrag um 47 % bei einer 20-mm-Bewässerung in der „First Pod“-Phase gegenüber reinem Regenfeldbau. Die Bodentextur beeinflusste, welche Wassermenge zu welchem Zeitpunkt am effektivsten ist. Lehmige Böden benötigen mehr Wasser, ermöglichen aber eine höhere Flächeneffizienz. Sandige Böden profitieren dagegen stärker von häufiger, geringer Bewässerung, wodurch 64 % der durch Trockenheit verursachten Ertragsverluste vermieden wurden – im Vergleich zu 48 % bei lehmigen Böden. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung standortspezifischer Bewässerungsstrategien im Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur. 3. In einer großflächigen Simulationsstudie wurde untersucht, wie sich das Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur beim Korn- und Proteinertrag unter historischen und zukünftigen Klimaszenarien entwickelt. Die historische Simulation zeigte bei aktuellem Managementniveau einen Ertragsrückgang von 9 % gegenüber dem Reinanbau. Bei starker Klimaerwärmung konnte das Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur jedoch 16 % mehr Protein liefern und dabei 17 % Fläche einsparen. Durch eine Anpassung der Aussaattermine beider Kulturen konnten im zukünftigen Klima bis zu 44 % mehr Gesamtertrag und 47 % mehr Proteinertrag im Vergleich zum Reinanbau ohne Terminverschiebung erzielt werden. Mehrere Schlussfolgerungen wurden aus dieser Studie gezogen: Pflanzenmodelle, die eine geteilte Blattfläche und priorisierten Wasserverbrauch berücksichtigen, können die Schlüsselfunktionen des Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur abbilden. Aber um ein diversifizierteres Anbausystem zu entwerfen, müssen Pflanzenmodelle besser die durch Umwelt und Management geprägten Phänotypen darstellen sowie Schätzungen für größere geografische Gebiete ermöglichen. Das Management von Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur sollte fein abgestimmt und standortspezifisch sein. Agronomische Praktiken wie Bewässerung und die Verschiebung von Aussaatterminen sollten die nachfolgende Kultur begünstigen, um den Gesamtertrag des Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur zu sichern. Winterweizen-Soja-Staffelmischkultur übertrifft den Reinanbau in Bezug auf Proteinertrag und Flächennutzungseffizienz und gleicht dadurch Belastungen durch den Klimawandel aus. Vielfältigere Anbausysteme sollten in Betracht gezogen werden, um die Degradierung von Ökosystemleistungen zu verhindern und die globale Ernährungssicherheit unter sich ändernden Klimabedingungen zu unterstützen.