Impact of species diversity and composition on yield, nutritive value and drought stress in lucerne-grass swards

In Deutschland umfasst Dauergrünland und grasbasierter Feldfutterbau, einschließlich Leguminosengras, ein Drittel der gesamten landwirtschaftlichen Nutzfläche. Der grasbasierte Feldfutterbau trägt nicht nur zur Futterversorgung von Wiederkäuern bei, sondern bietet auch agronomische Vorteile für die Fruchtfolge. Zu den Vorteilen gehören beispielsweise eine höhere Artenvielfalt und höhere Bodenkohlenstoffgehalte, sowie die Reduzierung von Unkraut, was wiederum den Folgekulturen zugutekommt. Die zusätzlichen Leistungen sind besonders wichtig in restriktiven Systemen wie dem ökologischen Landbau. Insbesondere dort bieten Leguminosen durch die symbiotische Fixierung von Stickstoff (N) Vorteile, da die Fruchtfolge mit N angereichert wird und der Bedarf an synthetischen N-Düngern sinkt. Für die Milchproduktion besteht ein zusätzlicher Vorteil darin, dass Leguminosen in der Ration die Futteraufnahme erhöhen und zudem Milchvieh kostengünstiger mit Rohprotein (CP) versorgen, als dies bei der üblichen Kraftfutterfütterung der Fall ist. Der Klimawandel verschärft die Herausforderungen in der Grundfutterproduktion, indem er die Häufigkeit von Trockenheit und Niederschlagsschwankungen erhöht, wodurch Ertrag und Futterwert beeinflusst werden. Um die Widerstandsfähigkeit zu erhöhen, verlagert sich der Futterbau auf trockenheitstolerantere Arten und vielfältige Artenmischungen. In dieser Hinsicht bieten Leguminosengrasmischungen im Vergleich zu reinen Grasbeständen in der Regel höhere Erträge, eine bessere Leistung unter trockenen Bedingungen und längere Erntefenster, ohne dass es schnell zu starken Veränderungen des Futterwerts kommt. Diese Vorteile ergeben sich aus den interspezifischen Interaktionen und der Nischenkomplementarität, die häufig als Nettomischungseffekt (NE) beschrieben werden. Um ressourceneffiziente Artenkombinationen in Mischungen zu ermitteln, ist die Analyse der Wassernutzungseffizienz (WUE) ein wertvolles Instrument, da sie die Leistung des gesamten Bestandes widerspiegelt. Im Gegensatz dazu können artspezifische Reaktionen anhand der Kohlenstoffisotopenverhältnisse (δ13C) bestimmt werden, die mit der Schließung der Stomata und Trockenstress in Verbindung gebracht werden. In dieser Arbeit werden die agronomischen Auswirkungen verschiedener Kombinationen der potenziell trockenheitstoleranteren Gräser Knaulgras (Dactylis glomerata L.) und Rohrschwingel (Festuca arundinacea Schreb.) mit Luzerne (Medicago sativa L.), deren Reinsaaten und einer Standardmischung aus Luzerne, Lieschgras (Phleum pratense L.) und Wiesenschwingel (Festuca pratensis Huds.) an vier Standorten über zwei Hauptanbaujahre untersucht. Das Ziel dieser Studie besteht darin, die Auswirkungen des Mischanbaus auf den Ertrag, den Futterwert und den Trockenstress zu bewerten. Darüber hinaus sollen der Mischungseffekt und die Rolle der verschiedenen Graspartner bei der Beeinflussung dieser Parameter ermittelt werden. In Kapitel 1 wurden die Ertragsleistung und der NE von Luzernegrasmischungen untersucht. Die Trockenmasseerträge (DM) unterschieden sich nicht signifikant zwischen den Mischungen und Luzerne Reinsaat, unabhängig von den Umweltbedingungen. Auch die Mischungszusammensetzung hatte nur einen geringen Einfluss auf den Ertrag. Dagegen wirkten sich die Niederschlagsmengen deutlich auf die DM-Erträge aus. Das Auftreten eines positiven NE in den Mischungen deutet auf vorteilhafte interspezifische Interaktionen hin. Die Integration von trockenheitstoleranten Gräsern in luzernebasierte Mischungen scheint vielversprechend zu sein, um den Feldfutterbau zu diversifizieren, ohne die agronomische Leistung zu mindern. In Kapitel 2 wurde der Futterwert der verschiedenen Mischungen und Reinsaaten untersucht, um ihr Potenzial als Futterquelle im Kontext des Klimawandels zu bewerten. Dabei zeigten sich signifikante Interaktionen zwischen Mischung, Standort und Jahr. Insgesamt wiesen die Mischungen bei den analysierten Parametern einen ausgewogeneren Futterwert auf als die Reinsaaten. Der beobachtete NE in den Mischungen führte zu höheren Werten bei den Neutral- und Säure-Detergenzien-Fasern, sowie beim Verhältnis CP zu wasserlöslichen Kohlenhydraten, als erwartet. Umgekehrt lagen die Werte für wasserlösliche Kohlenhydrate und umsetzbare Energie bei den Mischungen unter den erwarteten Werten. Die beobachteten Effekte traten meist unabhängig von der Mischungszusammensetzung oder der Artenanzahl auf. Informationen zum NE können hilfreich sein, um den Futterwert von Luzernegrasmischungen zu optimieren. In Kapitel 3 wurden die WUE und der Trockenstress in der Dreiartenmischung im Vergleich zu Reinsaaten analysiert. Wie erwartet, zeigten die Grasreinsaaten an allen Standorten eine signifikant niedrigere WUE als die Luzernegrasmischung und die Luzerne Reinsaat. Die δ13C-Werte aus den vergleichsweisen trockenen Bedingungen in 2020 lassen erkennen, dass die Grasreinsaaten einen stärkeren Trockenstress aufwiesen als die Luzernegrasmischung oder die Luzerne Reinsaat. Hinsichtlich der artspezifischen Trockenstressreaktion zeigte die Luzerne keinen Unterschied zwischen den Anbausystemen Reinsaat und Mischung. Im Gegensatz dazu profitierten die Gräser vom Mischanbau und es wurde bei den Gräsern aus der Mischung ein geringeren Trockenstress (negativere δ13C-Werte) gemessen als aus den Reinsaaten. Diese Ergebnisse unterstreichen den Vorteil des Mischanbaus von Arten zur Reduzierung von Trockenstress bei Gräsern. Innerhalb eines 18-jährigen Vergleichszeitraums zählten die Versuchsjahre 2020 und 2021 an zwei Standorten zu den trockensten bzw. feuchtesten, was den DM-Ertrag erheblich beeinflusste. Dies unterstreicht die Relevanz der Ergebnisse dieser Studie im Zusammenhang mit klimatischen Extremen. Trotz der unterschiedlichen Umweltbedingungen erzielten alle Mischungen mit trockenheitstoleranten Gräsern, die Standardmischung sowie Luzerne Reinsaat vergleichbare DM-Erträge, was ihre Eignung unter wechselnden Klimabedingungen bestätigt. Die zeitliche Stabilität des Futterwerts (gemessen anhand des Variationskoeffizienten) war bei den Luzernegrasmischungen und der Luzerne Reinsaat ähnlich und ist vermutlich auf den dominierenden Einfluss der Luzerne in Bezug auf den Artenanteil zurückzuführen. Daraus ergibt sich, dass der Mischanbau in dieser Hinsicht keinen zusätzlichen Vorteil brachte. Dennoch führte der Mischanbau von Luzerne mit Knaulgras und Rohrschwingel zu einem NE, sowohl in Bezug auf den Ertrag als auch auf den Futterwert. Diese Effekte lassen sich auf positive interspezifische Interaktionen und eine verbesserte N-Verfügbarkeit zurückführen. Der NE bestärkt insbesondere in N-limitierten Systemen wie dem ökologischen Landbau den Nutzen des Anbaus von Mischungen. Darüber hinaus eignen sich Mischungen mit einem ausgewogenen Nährstoffprofil gut für die Umtriebsweide oder als ein Hauptfuttermittel. Der Luzerneanteil in den Mischungen entsprach oft den Leguminosenanteilen aus anderen Studien, die dort mit optimaler Verdaulichkeit und Milchleistung in Verbindung gebracht wurden. Insgesamt kann Luzerne sowohl als Reinsaat als auch in Mischungen angebaut werden. Der Mischanbau bietet zusätzliche Vorteile, wie geringeren Trockenstress bei Gräsern und einen ausgewogeneren Futterwert. Besonders in N-limitierten Systemen, wie dem ökologischen Landbau, sind Luzernegrasmischungen aufgrund ihres ökologischen und ernährungsphysiologischen Nutzens besonders wertvoll. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um die Auswirkungen der N-Verfügbarkeit auf die Artenzusammensetzung, insbesondere des Knaulgrases, sowie die Beziehung zwischen Trockenstress (δ13C) und N-Dynamik in Luzernegrasmischungen zu untersuchen.

In Germany, permanent and temporary grassland, including legume-grass swards, account for one third of the total agricultural area. Temporary grassland on arable land not only contributes to the feed supply of ruminants, but also provides agronomic benefits in crop rotation. These benefits include enhanced biodiversity, increased soil organic matter and reduced amount of weed, thus improving the conditions for subsequent crops. These additional benefits are particularly important in restrictive systems such as organic farming. Here, legumes offer further advantage of symbiotic nitrogen (N) fixation, which enriches the crop rotation with N and reduces the need for synthetic N fertilisers. Regarding dairy production, an additional benefit is that legumes can increase feed intake and provide a cost-effective source of crude protein (CP) compared to conventional concentrate feeding. However, climate change is intensifying the challenges in herbage production by increasing drought frequency and precipitation variability, which reduces yield and nutritive value. To increase resilience, herbage systems are shifting towards more drought-tolerant species and diverse species mixtures. In this regard, legume-grass mixtures typically offer higher yields, improved performance under drought conditions, and a longer harvest period without rapid loss of nutritive value compared to grass pure stands. These benefits result from interspecific interactions and niche complementarity, commonly referred to as the net mixture effect (NE). To identify resource-efficient combinations of mixed swards, the analysis of the water use efficiency (WUE) is a valuable tool, which reflects the performance of the entire sward. In contrast, species-specific responses can be determined by using carbon isotope ratios (δ13C), which are associated with stomatal closure and drought stress. This study investigates the agronomic effects of different combinations of the potentially drought-tolerant grasses cocksfoot (Dactylis glomerata L.) and tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.) with lucerne (Medicago sativa L.), their pure stands and a standard mixture of lucerne, timothy (Phleum pratense L.) and meadow fescue (Festuca pratensis Huds.) at four sites over two main production years. The objective of this study is to evaluate the impact of mixed cultivation on yield, nutritive value and drought stress. Additionally, it intends to determine the mixture effect and the role of different grass partners in influencing these parameters. The yield performance and NE of lucerne-grass mixtures were examined in Chapter 1. Regardless of environmental conditions, dry matter (DM) yields did not differ significantly between the mixed swards and lucerne pure stand. The composition of the mixtures also had only a minor influence on yield. In contrast, precipitation significantly affected DM yields. The occurrence of a positive NE in the mixed swards indicates beneficial interspecific interactions. Integrating drought-tolerant grasses into lucerne-based swards appears to be a promising strategy to diversify temporary grasslands production without compromising the agronomic performance. Chapter 2 examined the nutritive value of the different species mixtures and pure stands to assess their potential as a feed source in the context of climate change. Significant interactions were observed between sward type, site and year. Overall, the mixed swards exhibited a more balanced nutritive value than the pure stands across the analysed parameters. The observed NE in the mixed swards resulted in higher values for neutral and acid detergent fibres, as well as for the ratio of CP to water-soluble carbohydrates, than expected. Conversely, the values for water-soluble carbohydrates and metabolisable energy in mixed swards were lower than expected. The observed effects were mainly independent of the sward type or species number. Information on the NE may prove helpful to optimise the nutritive value of lucerne-grass mixtures. Chapter 3 analysed the WUE and drought stress of the three-species sward compared to the pure stands. As expected, the grass pure stands displayed significantly lower WUE than the three-species sward and lucerne pure stand at all sites. As indicated by δ13C values under the comparably drier conditions of 2020, grass pure stands showed stronger drought stress compared to the lucerne-grass sward or lucerne pure stand. Regarding the species-specific drought stress responses, lucerne showed no difference between the pure stand and the mixture. In contrast, the grasses benefited from mixed cultivation, showing lower drought stress (more negative δ13C values) in the mixed sward than in the pure stands. These results highlight the benefits of mixed cultivation to mitigate drought stress in grasses. Within an 18-year reference period the experimental years 2020 and 2021 ranked among the driest and wettest at two sites, significantly influencing DM yield. This further underlines the relevance of results of this study in the context of climatic extremes. Despite the varying environmental conditions, all swards containing drought-tolerant grasses, the standard sward and the lucerne pure stand achieved comparable DM yields, confirming their suitability under changing climatic conditions. The temporal stability of the nutritive value (measured by the coefficient of variation) was similar between the lucerne-grass swards and lucerne pure stand, likely due to the dominant influence of lucerne in terms of species proportion. Consequently, in this regard mixed cultivation did not offer any additional benefits. However, combining lucerne with tall fescue and cocksfoot resulted in NE in terms of both yield and nutritive value. These effects can be attributed to positive interspecific interactions and improved N availability. The NE supports the benefits of growing mixtures, particularly in N-restricted systems such as organic farming. Furthermore, mixed swards with a balanced nutritive profile are well suited for rotational grazing or as a main forage source. The proportion of lucerne in the mixed swards often corresponded to the legume proportions in other studies, which were associated with optimal digestibility and milk yield. Overall, lucerne can be cultivated either as a pure stand or in mixtures. Mixed cultivation offers additional benefits, such as reduced drought stress for grasses and a more balanced nutritive value. In N-restricted systems like organic farming, lucerne-grass swards are particularly valuable due to their ecological and nutritional benefits. However, further research is needed to investigate the effects of N availability on species composition, particularly with regard to cocksfoot, as well as the relationship between drought stress (δ13C) and N dynamics in lucerne-based mixtures.

2025-09-16