Effects of woody plants and their residues on crop yield, weedsand soil carbon fractions in selected arable cropping systems

Woody plants on arable land can be grown for their products (e.g. trees for energy biomass) or simply as field borders (e.g. hedgerows). Establishing woody plants on arable land can increase biodiversity, reduce soil erosion, diminish nitrate leaching and improve drinking water quality. Woody plants have the potential to increase soil organic matter and sequestrate carbon in soils and biomass, which is important for the mitigation of climate change. However, the residues of woody plants can also have unfavorable influences (e.g. allelopathic effects, or competition for nitrogen) on crop production. In the past, woody plants have often been removed from arable land because of intensification and mechanization of agriculture; while nowadays, they are restored on arable land to achieve various ecological benefits, particularly in developed countries. The aim of the current study was to investigate selected aspects of plant and soil responses and their interactions with woody plants and their residues on arable land. Four publications describe and discuss the results of laboratory and field experiments with woody residues from hedgerow pruning (wood chips) and the effect of short rotation coppice willow in comparison to other energy crops, and their effects on yields, weeds, and selected soil characteristics. The first publication (accepted by Agronomy Journal) describes a study about long-term effects of wood chips application from hedgerows (mainly Acer pseudoplatanus L., Prunus avium L., Prunus padus L., Salix caprea L., Ligustrum vulgare L., and Fraxinus excelsior L.) on arable land, with a focus on weed infestation and yield. Data were collected from a 16-year field trial at the organic research station Kleinhohenheim, in Southwest Germany, with wood chips mulching (WCM) on a typical crop rotation (cereal-based, grain legume and fodder included). The wood chips were derived from in-situ hedgerow prunings and annually applied in three rates (0, 80 and 160 m3 ha-1). Wood chip mulching reduced the weed density in spring significantly by 9%, and the high mulching rate resulted generally in lower weed numbers than the low mulching rate, while WCM caused no significant grain yield loss of cereals and grain legumes. However, the relative crop yield of plots with WCM compared to the control showed a decreasing trend over time, which might be related to unfavorable effects of WCM on the vegetative growth of crops. The weed suppression by WCM is presumably a result of several impacts such as a physical barrier, changes in soil temperature, lower nitrogen availability and allelopathic effects. Hence, woody residues can be used for weed control in arable crops but care should be taken concerning their potentially unfavorable effects on crops. The second publication (submitted to Seed Science Research) is directly related to the WCM in publication I. The study aimed at gaining a first insight in potential allelopathic effects of the wood chips used in experiment I and their influence on seed germination under laboratory conditions. Watery extracts of wood chips from goat willow (Salix caprea L.) and black cherry (Prunus padus L.) were tested on seed germination of oilseed rape (Brassica napus L.) and wheat (Triticum aestivum L.). The extraction procedure was standardized for varying conditions including drying methods (freeze drying at -50 °C, oven drying at 25, 60 or 105 °C), milling, wood to water mixing ratio (WWR=1:10, 1:15 or 1:20) and fraction of the material used (bark or core wood), in order to produce extracts with a high capacity to suppress germination. Extracts of freeze dried and undried (defrosted) wood chips resulted in the lowest germination rate (<6%) of both crops after two weeks, compared to the relatively higher germination rates (12%–53%) in extracts of oven dried wood chips. In a high WWR ratio (1:10) with black cherry, the germination rate of oilseed rape was significantly lower in the extracts of milled wood chips (26%) compared to un-milled ones (49%), and similarly for wheat seeds (milled 1% germination rate, un-milled 19% germination rate). The suppression effect increased with increasing concentration of the extract: germination rates were 86% (WWR=1:20), 71% (WWR=1:15) and 35% (WWR=1:10) with milled wood chips. Extracts from the bark resulted in significantly lower germination rates (<4%) than that from core wood (>88%). The combination of freeze drying, with milled wood chips, high WWR and wood bark turned out to be the most suitable method to inhibit seed germination and thus to retain effective allelopathic compounds in the extract. The effects of germination inhibition was influenced by the interaction of tree species, species used in the germination trials and extraction method. The findings from this study can be applied for a systematic testing of different woody species, particularly for choosing woody residues with allelopathic potential to suppress weeds. The third publication (in preparation) is about soil organic matter (SOM) responses to long-term cultivation of a woody perennial energy crop versus an herbaceous annual energy crop on arable land. Soil samples (0-10, 10-20 cm) were taken after 12 years of continuous cropping of short rotation coppice (SRC) willow (Salix schwerinii E. Wolf × viminalis L.) and mono-cropping of silage maize (Zea mays L.) at the research station Ihinger Hof, Southwest Germany. Soil fractions with different physical properties (density and weight) were separated in the laboratory and the total organic carbon was determined in these fractions. The integrated fractionation method separated light fractions (<1.8 g cm-3) including free- and occluded- particulate organic matter (f-POM and o-POM), and heavy fractions with three particle-size classes (63-2000 &#956;m for sand, 2-63 &#956;m for silt, and <2 &#956;m for clay). Generally, SOC contents were significantly higher in the upper soil under willow (1.39%) than under maize (1.13%). The soil (0-20 cm) under willow accumulated 154% more labile SOM (f-POM and o-POM)than the soil under maize did. The results can be explained by the continuous input of leaf litter and root turnover under the willows, and by the fact that the willows were not tilled except in the year of plant establishment. The C:N ratios of the SOM in POM and in the sand-sized fractions were also significantly higher under willow (28, 24, and 16) than under maize (23, 18, and 9). The findings indicate a slower turnover of SOM and a higher potential of carbon sequestration in soil under SRC willow, as an example for a woody energy crop, compared to silage maize, a typical annual energy crop grown with soil tillage. The fourth publication (Published in Agronomy Journal) is based on the same 12-year field experiment as publication III, and it evaluates the biomass and gross energy yield of six annual and perennial energy cropping systems with different nitrogen fertilization levels, including SRC willow and silage maize (selected soil properties of both presented in publication III). The annual systems included mono-cropping maize with reduced tillage, a crop rotation of oilseed rape (Brassica napus L. ssp. oleifera)–wheat (Triticum aestivum L.)–triticale (Triticale ×triticosecale Wittmack) with moldboard plough or with no-tillage. The perennial systems included SRC willow, miscanthus (Miscanthus × giganteus Greef et Deu.) and switchgrass (Panicum virgatum L.). For each cropping system, three levels of nitrogen fertilization (0, 50% and 100% of crop-specific best management practice) were applied. The mean annual biomass yield was found to be highest in maize (18.5 Mg ha-1) and miscanthus (18.3 Mg ha-1) with 100% nitrogen, and without nitrogen highest in miscanthus (13.6 Mg ha-1). However, only higher nitrogen levels could maintain the high yield potential of these two crops. Without or with reduced nitrogen fertilization, annual yield of maize was decreasing continuously; without nitrogen fertilization, the annual yield of miscanthus was also decreasing after eight years. Willow had a mean annual yield of 11.0 Mg ha-1 in average for three nitrogen levels, and its biomass yield was not significantly reduced when the nitrogen fertilization was reduced from 100% to 50%, suggesting it is less dependent on nitrogen fertilization compared to other energy crops (except for miscanthus) in this study. A yield trend of willow was only visible within the three-year coppice rotation but so far not with plantation age, except the establishment period. Overall, both growing of woody plants and applying woody residues on arable land can influence the plant growth (crops and weeds), soil properties and their interactions in many ways. Favorable influences include (i) reducing weed density by WCM, (ii) achieving promising biomass yield by growing SRC tree with low soil nitrogen, and (iii) increasing soil organic matter (carbon sequestration) by growing SRC willow; unfavorable influence includes reducing biomass production of crops by WCM. According to the findings with wood chips extracts, it is very likely that the main weed-suppressing effect is due to allelopathic effects. Short rotation coppice willow seems to be a favorable low-input system with a medium but constant yield. Residues of SRC willow from clearing the land after several years of growing might have similar effects on crops and weeds in the following years, as the wood chips from hedgerows showed. It also can be assumed that the carbon sequestration which was found under SRC willow also takes place in the hedgerows. All favorable influences on crop production might motivate farmers to keep or restore woody plants on farm, and enhance ecosystem services within the farming system; while the unfavorable influences should be avoided if woody plants are to be used on arable land. Future research objectives can be related to (i) technological improvement of the wood chips application on fields for weed control; (ii) determination and isolation of allelopathic ingredients from woody materials, and using them for a new generation of natural herbicides; (iii) study on potential long-term residue effects and interference of SRC woody plants on following crop growth; and (iv) studies on carbon sequestration in the soil under hedgerows.

Gehölze können auf Ackerflächen zu Produktionszwecken angebaut werden (z.B. Bäume zur Biomasseproduktion) oder dienen als Feldgrenzen (z.B. Hecken). Gehölzpflanzen auf Ackerflächen wirken sich dabei positiv auf die Biodiversität aus, verringern die Bodenerosion sowie die Nitratauswaschung und haben einen positiven Einfluss auf die Trinkwasserqualität. Des Weiteren tragen sie zu einer Zunahme der organischen Bodensubstanz und zur Kohlenstoffsequestrierung im Boden bei und leisten damit einen Beitrag zum Klimaschutz. Die Gehölzpflanzen selber und auch deren Rückstände wie z.B. Häckselgut von Hecken können aber auch ungewünschte Auswirkungen auf die Kulturpflanzen nach sich ziehen, die beispielsweise durch allelopathische Effekte oder durch die Konkurrenz um Ressourcen (z.B. Licht) hervorgerufen werden. In der Vergangenheit fielen Gehölzpflanzen auf Ackerflächen vermehrt der Intensivierung und Mechanisierung in der Landwirtschaft zum Opfer, während heutzutage Bestrebungen bestehen, deren Zahl zu erhalten, um Ökosystemleistungen zu sichern. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war, Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Boden bei ausgewählten Gehölzen sowie deren Ernterückständen auf Ackerflächen zu untersuchen. Die vorgelegte Arbeit besteht aus vier Publikationen und umfasst Labor- und Feldexperimente, die sich zum einen mit den Effekten von Hackschnitzeln aus Heckenrückschnitt auf die landwirtschaftliche Produktion und zum anderen mit dem Vergleich einer Kurzumtriebsplantage mit anderen „Energiepflanzen“ in unterschiedlichen Anbausystemen beschäftigen. In den Untersuchungen werden relevante Aspekte zu Erträgen der Kulturpflanzen, Unkräutern und ausgewählten Bodenparametern herausgegriffen. Die erste Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) beschreibt Langzeiteffekte der Ausbringung von Hackschnitzeln von Hecken (hauptsächlich Acer pseudoplatanus L., Prunus avium L., Prunus padus L., Salix caprea L., Ligustrum vulgare L., und Fraxinus excelsior L.) auf den Ertrag und den Unkrautbesatz auf einer ökologisch bewirtschafteten Ackerfläche. Hierfür wurden Daten eines 16-jährigen Versuchs auf der ökologisch bewirtschafteten Versuchsstation Kleinhohenheim in Südwestdeutschland gesammelt. Untersucht wurde der Effekt von Hackschnitzelmulch (HSM) auf eine typische Fruchtfolge (Getreide, Leguminosen und Ackerfutter). Die Hackschnitzel stammten vom Rückschnitt der Hecken des Betriebs und wurden jährlich in drei verschiedenen Mengen ausgebracht (0, 80 und 160 m3 ha-1). HSM führte zu einer Reduktion des Unkrautbesatzes um 9 % im Frühjahr, wobei höhere Ausbringungsmengen im Vergleich zu niedrigeren generell in geringerem Unkrautbesatz resultierten. Der Einfluss auf den Ertrag war statistisch nicht signifikant, jedoch wurden über die Versuchszeit tendenziell sinkende Erträge auf mit HSM behandelten Parzellen gegenüber der Kontrolle beobachtet. Die unkrautunterdrückende Wirkung des HSM könnte auf verschiedenen Effekten beruhen, nämlich der mechanischen Behinderung des Auflaufens von Unkräutern, einer geänderten Bodentemperatur, einer reduzierten Stickstoffverfügbarkeit durch die Gabe von Material mit vergleichsweise weitem C:N-Verhältnis sowie allelopathischen Effekten. Hackschnitzel können daher zwar zur Unkrautkontrolle auf Ackerflächen verwendet werden, es müssen jedoch potentiell ungewünschte Effekte auf die Kulturpflanzen berücksichtigt werden. Die zweite Publikation (eingereicht bei Seed Science Research) basiert direkt auf der ersten und beschäftigt sich mit möglichen allelopathischen Effekten von HSM und deren Einfluss auf die Samenkeimung unter Laborbedingungen. Getestet wurden die Auswirkungen wässriger Extrakte von Hackschnitzeln der Salweide (Salix caprea L.) und der Gewöhnlichen Traubenkirsche (Prunus padus L.) auf die Keimung von Raps (Brassica napus L.) und Weizen (Triticum aestivum L.). Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer standardisierten Extraktionsmethode, wobei die Trocknung (Gefriertrocknung, Ofentrocknung mit 25, 60 oder 105 °C), das Mahlverfahren, das Holz-Wasser-Verhältnis bei der Extraktion (HWV; 1:10, 1:15 oder 1:20) und das Ausgangsmaterial (Rinde oder Kernholz) variiert wurden. Die Extrakte aus der Gefriertrocknung und die des ungetrockneten Holzes führten nach zwei Wochen zu der geringsten Keimrate (<6 %) bei beiden Kulturarten. Die ofengetrockneten Varianten besaßen eine höhere Keimrate von 12 bis 53 %. Die Keimrate von Raps lag bei einer hohen HWV (1:10) mit Extrakten aus gemahlenen Hackschnitzeln der Gewöhnlichen Traubenkirsche bei 26 % und damit signifikant niedriger als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (49 % Keimung). Weizenkörner keimten unter diesen Bedingungen in geringerer Anzahl als Raps, aber die Keimung war mit Extrakten aus gemahlenem Material (1%) auch geringer als mit Extrakten aus ungemahlenem Material (19 %). Der Effekt der Keimungsunterdrückung stieg mit erhöhtem HWV bzw. höherer Konzentration der Extrakte. Die Keimraten betrugen durchschnittlich für HWV 1:20 86 %, für HWV 1:15 71 % und für HWV 1:10 35 % mit gemahlenen Hackschnitzeln. Aus der Rinde gewonnene Extrakte führten zu einer signifikant geringeren Keimrate (<4 %) als die des Kernholzes (<88 %). Die effektivste Methode zur Erhaltung offensichtlich allelopathisch wirksamer Verbindungen war die Kombination aus gemahlenen Hackschnitzeln aus Rindenholz, Gefriertrocknung (-50 °C) und einem hohen HWV. Diese hatte den größten Effekt auf die Unterdrückung der Keimung. Die Ergebnisse aus dieser Publikation können zur Untersuchung weiterer Gehölzarten angewandt werden und bieten eine Grundlage für die Auswahl geeigneter Substrate mit einem möglichst hohen allelopathischen Potential zur Unterdrückung von Unkraut. Die dritte Publikation (in Vorbereitung) beschäftigt sich mit der organischen Substanz (OS) beim Anbau mit Gehölzen zur energetischen Nutzung im Vergleich zum Anbau annueller Energiepflanzen auf Ackerland. Untersucht wurde ein 12-jähriger Dauerversuch auf der Versuchsstation Ihinger Hof in Südwestdeutschland mit einer Weiden-Kurzumtriebsplantage (Salix schwerinii E. Wolf x viminalis L.) und einer 12-jährigen Maismonokultur (Zea mays L.). In diesem Versuch wurden Bodenproben im Bereich 0 –10 cm und 10 – 20 cm gezogen. An jeder Probe wurden im Labor eine Dichtetrennung sowie eine Fraktionierung nach Korngröße durchgeführt, und der Kohlenstoffgehalt jeder Fraktion bestimmt. Die Dichtefraktionierung resultierte in einer leichten Fraktion (<1,8 g cm-3), die sich aus freier partikulärer und in Bodenaggregaten eingeschlossener OS „occluded- particulate organic matter“ (f-POM und o-POM) zusammensetzte sowie der schweren Fraktion, bestehend aus drei Klassen verschiedener Partikelgrößen: Sand (63-2000 &#956;m), Lehm (2-63 &#956;m) und Ton (<2 &#956;m). Generell fanden sich höhere Gehalte an OS in der oberen Bodenschicht unter Weiden (1,39 %) als im Maisanbau (1,13 %). Im Boden unter Weiden war die leichte Fraktion (f-POM und o-POM) um 154 % höher als beim Maisanbau. Grund dafür war der kontinuierliche Zufluss von Streu und von Wurzelresten sowie die fehlende Bodenbearbeitung. Ebenso war das C:N Verhältnis der OS in den Sandfraktionen unter Weide (28, 24 und 16) höher als unter Mais (23, 18 und 9). Die Ergebnisse deuten auf einen langsamen Umsatz von OS und damit auf ein höheres Kohlenstoffsequestrierungspotential unter Weiden in Kurzumtriebsplantage als beim Maisanbau hin. Die vierte Publikation (veröffentlicht im Agronomy Journal) nutzt denselben 12-jährigen Feldversuch wie die dritten Publikation. Es erfolgte eine Bewertung des Biomasse- und des Bruttoenergieertrags von sechs annuellen und perennierenden Energiefruchtfolgen mit verschiedenen Stickstoffdüngungsstufen. Die annuellen Systeme bestanden aus Mais in Monokultur mit reduzierter Bodenbearbeitung; einer Fruchtfolge mit Raps (B. napus L. ssp. oleifera) – Weizen (Triticum aestivum L.) – Triticale (Triticale x triticosecale Wittmack) mit wendender bzw. keiner Bodenbearbeitung. Die perennierenden Systeme umfassten eine Kurzumtriebsplantage mit Weiden (S. schwerinii E. Wolf x viminalis L.), Miscanthus (Miscanthus x giganteus Greef et Deu.) und Ruthenhirse (Panicum virgatum L.). Für jedes Anbausystem wurden drei Stickstoffdüngungsstufen (0, 50 und 100 % der praxisüblichen Düngemenge) etabliert. In Mais wurde im Mittel der höchste jährliche Biomasseertrag festgestellt (18,5 Mg ha-1), gefolgt von Miscanthus (18,3 Mg ha-1) jeweils bei einem N-Düngeniveau von 100 %. Ohne Stickstoffdüngung lag der jährliche Biomasseertrag bei Miscanthus mit 13,6 Mg ha-1 am höchsten. Das hohe Ertragsniveau konnte bei beiden Kulturen über die 12-jährige Versuchslaufzeit nur mit der höchsten N-Düngerstufe gehalten werden. In den Fruchtfolgen und bei Rutenhirse sanken die Erträge über die Jahre auch mit hoher Stickstoffgabe. Je geringer die Stickstoffdüngung ausfiel, desto stärker war der Ertragsrückgang. Die Weiden in Kurzumtriebsplantage zeigten unabhängig von der Stickstoffdüngung und der Versuchslaufzeit im Mittel gleichbleibende Erträge von 11 Mg ha-1. Offenbar ist die Stickstoffdüngung für Weiden in Kurzumtriebsplantagen im Vergleich zu den anderen untersuchten Kulturen und Anbausystemen ein weniger wichtiger Produktionsfaktor. Das Ausbringen von Hackschnitzel von Hecken auf Ackerflächen und der Anbau von Gehölzpflanzen (Weide in Kurzumtriebsplantage) zeigten Effekte im oberirdischen Pflanzenaufwuchs und hatten Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften. Gewünschte Auswirkungen der Managementmaßnahmen waren (i) die Verringerung des Unkrautbesatzes, (ii) der geringe Stickstoffinput für eine zufriedenstellende Produktivität von Weiden in Kurzumtriebsplantage, und (iii) und die Erhöhung der OS (Kohlenstoffsequestrierung). Unerwünschte Effekte äußerten sich in der tendenziellen Reduktion der Biomasseproduktion der Kulturpflanzen Wie die Studie zu Extrakten aus den Hackschnitzeln zeigt, scheinen tatsächlich allelopathische Effekte eine mögliche Ursache für die Unkrautunterdrückung bei der Hackschnitzelapplikation zu sein. Diese oder ähnliche Effekte könnten auch nach der Rodung von Kurzumtriebsplantagen auf die Nachfrüchte auftreten, z.B. aus Rückständen von Wurzeln und Stamm. Weiterhin könnte beim Erhalt von Heckenbiotopen auch mit einer Kohlenstoffsequenzierung gerechnet werden, ähnlich wie es bei den Weiden in Kurzumtriebsplantage gezeigt wurde. Die günstigen Effekte des Anbaus von Gehölzen könnten Landwirte motivieren, Gehölzpflanzen auf ihren Ackerflächen zu belassen bzw. zu etablieren und die Ökosystemleistungen auf dem Betrieb zu erhöhen. Weiterführende Forschung könnte darauf abzielen (i) technische Lösungen für eine praktikable Hackschnitzelausbringung zur Unkrautbekämpfung zu finden, (ii) die allelopathisch wirksamen Substanzen von Gehölzen zu identifizieren und zu isolieren und so gegebenenfalls Grundlage für eine neue Generation von Herbiziden zu schaffen, (iii) Langzeitfolgen von Ernterückständen nach dem Anbau von Kurzumtriebsplantagen auf die nachfolgenden Kulturen zu untersuchen, und (iv) Studien zur C-Sequestrierung unter naturnahen Hecken vorzunehmen.