Nutrient Response Efficiencies, Leaching Losses and Soil-N Cycling in Temperate Grassland Agroforestry and Open Grassland Management Systems

In den letzten Jahren besteht ein zunehmendes Interesse an innovativen landwirtschaftlichen Systemen, um die nachteiligen Auswirkungen intensiver Produktionssysteme, wie z. Nähr-stoffauswaschung in Grund- und Oberflächengewässer, auf die Umwelt zu minimieren. Eine mögliche Lösung in Grünlandsystemen könnte Agroforstwirtschaft sein, die Integration von Bäumen z.B. in Reihen. Durch ökologische Wechselwirkungen zwischen den holzigen und nicht holzigen Pflanzen können Agroforstsysteme die oben genannten nachteiligen Auswir-kungen einer intensiven Produktion minimieren. Agroforstsysteme gelten daher generell als nachhaltigere und umweltfreundlichere Produktionssysteme im Vergleich zu Monokulturen. In den gemäßigten Zonen ist derzeit jedoch nicht bekannt, ob dieses spezielle Agroforstsys-tem mit abwechselnden Reihen von Grünland und Bäumen (alley-cropping) eine nachhaltige und umweltfreundliche Alternative zu offenem Grünland im Hinblick auf die Nährstoff- und Wassernutzung darstellt. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation war es daher zu untersu-chen, ob Grünlandagroforst (abwechselnde Reihen von Grünland und schnell wachsenden Bäumen) eine nachhaltige Alternative zu offenem Grünland darstellt. Dafür wurden die In-dices nutrient response efficiency (NRE), die Nährstoffverluste durch Auswaschung und der N-Kreislauf im Boden untersucht. In den Jahren 2016 und 2017 wurden in Mittel-deutschland offene und Agroforstgrünlandsysteme auf drei Bodentypen (Histosol, Anthrosol und Cambisol) untersucht. Messungen in den Agroforstsystemen wurden in den Baumreihen und in verschiedenen Abständen zu den Baumreihen innerhalb der Grasreihen in vier (Histo-sol- und Anthrosol-Böden) oder drei (Cambisol-Böden) Wiederholungsparzellen durchge-führt. Die erste Studie hatte zum Ziel Unterschiede in der nutrient response efficiency (NRE, Ver-hältnis von Biomasseproduktion zu pflanzenverfügbaren Nährstoffen) und den pflanzenver-fügbaren Nährstoffen zwischen Grünlandagroforst und offenem Grünland zu bewerten. Pflanzenverfügbares N und P wurden während der Vegetationsperiode mehrmals mit der Bu-ried-Bag-Methode für N und einer Resin- und Bicarbonatextraktion für P gemessen. Die Ka-tionen Ca, K und Mg wurden einmal gemessen. Die Biomasseproduktion wurde entweder gemessen (Gras) oder mittels allometrischer Funktionen (Bäume) berechnet. Pflanzenverfüg-bare N, P, Makronährstoffe und NREs waren im Allgemeinen zwischen Grünlandagroforst und offenem Grünland vergleichbar, was darauf hindeutet, dass es weder Konkurrenz noch Komplementarität zwischen Bäumen und Gräsern um Nährstoffe gab. Eine Ausnahme bilde-ten die geringfügig niedrigeren Ca- und Mg-NREs im Grünlandagroforst im Vergleich zu of-fenem Grünland im Cambisol. Dies war auf die schmalen Grasreihen (9 m breit) zurückzufüh-ren, die in 1 m Entfernung von der Baumreihe eine geringere Biomasse der Gräser aufwiesen, möglicherweise aufgrund der Beschattung der Bäume. Im Jahr 2017, als die Baumproduktion im zweiten Jahr nach der Baumernte höher war, wies Grünlandagroforst für Histosol- und Anthrosol höhere P- und K-nutrient response efficiencies als offenes Grünland auf. Es wird daher der Schluss gezogen, dass Agroforstwirtschaft eine nachhaltige Alternative zu offenem Grünland darstellen kann, ohne dass die Verfügbarkeit von Bodennährstoffen oder die NREs beeinträchtigt wird. Dies ist insbesondere in Systemen mit breiten Grasreihen (48 m breit) der Fall und wenn die Bäume älter werden. Die zweite Studie sollte die Verluste von Nährstoffen durch Auswaschung in Grünlanda-groforst mit abwechselnden Reihen von schnell wachsenden Weiden und Grünland quantifi-zieren. Die Nährstoffverluste wurden berechnet, indem die monatlich gemessenen Nährstoff-konzentrationen im Bodenwasser in 0,6 m Tiefe von jedem Probenahmepunkt mit modellier-ten monatlichen Abflüssen multipliziert wurden. Bei allen Bodentypen wiesen die Baumreihen eine hohe Interzeption auf, was zu Wasserverlusten führte, die im Vergleich zu den Grasreihen erheblich niedriger waren. An allen drei Standorten waren die Auswaschungsverluste von NO3-, Phosphat und Kationen (Ca, K, Mg) während des gesamten Untersuchungsjahres sehr variabel und unterschieden sich aufgrund der erheblichen zeitlichen Variabilität nicht zwi-schen Baum- und Grasreihen. Die Untersuchung der Na/Nährstoff-Verhältnisse ergab jedoch, dass die Bäume Nährstoffverluste durch die bevorzugte Nährstoffaufnahme und möglicher-weise durch vermehrte mikrobielle Prozesse wie die Denitrifikation unter Baumreihen positiv beeinflussten. Die Studie liefert somit Belege dafür, dass schnell wachsende Bäume zur Ver-ringerung der Auswaschungsverluste auf Grünland und zur Verbesserung der Grundwasser-qualität beitragen können. Die dritte Studie zielte darauf ab, Unterschiede im N-Kreislauf im Boden zwischen Grün-landagroforst und offenem Grünland sowie dessen Einflussfaktoren zu bewerten. Zur Be-stimmung der Bruttoraten von Boden-N-Kreislaufprozessen (d. H. Brutto-N-Mineralisierung, Brutto-Nitrifizierung, N-Immobilisierung und dissimilatorische Nitritreduktion zu Ammoni-um) wurde die 15N-Poolverdünnungstechnik verwendet. Es gab keine signifikanten Unter-schiede bei den Bruttoraten der N-Produktion (Mineralisierung und Nitrifizierung) zwischen den Probenahmestellen in Agroforst und offenen Grünland innerhalb der drei Bodentypen. Die Bewirtschaftung (Grünlandagroforst im Vergleich zu offenem Grünland) oder der Vege-tationstyp (Baum oder Gras) wirkten sich nicht auf den Boden-N-Kreislauf aus, was der Hy-pothese widerspricht, dass die Bruttoraten des Boden-N-Kreislaufs in den Baumreihen höher sind als in den Grasreihen oder im offenen Grünland. Stattdessen wurden der N-Kreislauf und die mikrobielle Biomasse eher von den Bodentypen beeinflusst. Grünlandagro-forst kann daher in Bezug auf die Verfügbarkeit von N und den gesamten N-Kreislauf im Boden im Vergleich zu offenem Grünland gleichermaßen effizient sein und ein nachhaltiges alternatives Managementsystem darstellen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass Agroforstwirtschaft ein nachhaltiges alternatives Manage-mentsystem zu Grünland in Bezug auf NRE, Nährstoffauswaschung und die Aufrechterhal-tung eines aktiven N-Kreislaufs sein kann. Es sind jedoch mehrjährige Bewertungen sowohl des wirtschaftlichen Nutzens als auch der ökologischen Funktionen erforderlich, um langfris-tige Trends zu quantifizieren, die dann eine solide Grundlage für die Einbeziehung der Agro-forstwirtschaft in einen breiteren politischen Rahmen bilden könnten.

In recent years, there is an increasing interest in innovative agricultural systems as an alterna-tive to open grassland systems in order to minimize the detrimental effects of intensive pro-duction systems on the environment such as nutrient leaching to ground and surface waters. One possible solution could be agroforestry, i.e. the implementation of trees into grassland in the form of alternating rows, also known as alley cropping system. By fostering ecological interactions between woody and non-woody components, agroforestry systems can minimize the detrimental effects of intensive production mentioned above. These systems are therefore seen as more sustainable and environmentally friendly production systems than intensive pro-duction systems or monocultures. At present, however, regarding temperate agroforestry, it is unknown whether this particular agroforestry system is a sustainable and environmentally friendly alternative to open grassland in terms of nutrient and water use. The overall aim of this thesis therefore was to test whether grassland agroforestry (alley cropping of grasses and fast growing trees) is a sustainable alternative to open grassland by investigating the index of nutrient response efficiency, nutrient leaching losses and the soil-N cycle. Agroforestry and open grassland systems were investigated on three soil types (Histosol, Anthrosol and Cambi-sol soils) in central Germany in 2016 and 2017. Measurements in the agroforestry systems were conducted in the tree rows and at various distances to the tree rows within the grass rows in four (Histosol and Anthrosol soils) or three (Cambisol soil) replicate plots. The first study aimed to assess differences in nutrient response efficiency (NRE, ratio of biomass production to soil available nutrient) and plant-available nutrients between grassland agroforestry and open grassland. Plant available N and P were measured several times during the vegetation period using the buried bag method for N and a resin- and bicarbonate-extraction for P. The cations Ca, K and Mg were determined once. Biomass production was either measured (grass) or calculated by using allometric functions (trees). Plant-available N, P, macronutrients and NREs were generally comparable between agroforestry and open grass-land, suggesting no net effect of competition or complementarity for nutrients between trees and grasses. One exception were the marginally lower Ca and Mg response efficiencies in ag-roforestry compared to open grassland in the Cambisol soil. This was due to the narrow grass rows (9-m wide), which showed lower biomass of grasses at 1 m from the tree row, possibly due to the trees’ shading. In 2017, when tree production was higher in the second year after tree harvest, agroforestry had higher P and K response efficiencies than open grassland for Histosol and Anthrosol soils. It is therefore concluded that alley cropping agroforestry can be a sustainable alternative to open grassland without sacrificing NRE and soil nutrient availabil-ity, particularly in systems with wide grass rows (48-m wide) and when trees are getting older. The second study aimed to quantify nutrient leaching losses in temperate alley cropping sys-tems of alternating rows of fast growing willows and grassland. Nutrient leaching losses were calculated by multiplying monthly measured nutrient concentrations in soil water at 0.6 m depth from each sampling point with modelled monthly leaching fluxes. For all soil types tree rows displayed high interception rates resulting in water drainage fluxes that were considera-bly lower compared to the grass rows. At all three sites NO3-, phosphate and base cation (Ca, K, Mg) leaching losses were highly variable throughout the study year and did not differ be-tween tree rows and grass rows because of considerable temporal variability. However, look-ing into ratios of Na/nutrient showed that trees positively influenced nutrient losses by prefer-ential nutrient uptake and possibly due to increased microbial processes such as denitrification under tree rows. The study thus provides evidence that fast growing trees in temperate grass-land alley cropping systems can contribute to reduction of leaching losses and to better ground water quality. The third study aimed to assess differences in gross rates of soil-N cycling between agrofor-estry and open grassland, and their controlling factors. To determine gross rates of soil-N-cycling processes (i.e. gross N mineralization, gross nitrification, N immobilization and dis-similatory NO3- reduction to ammonium) the 15N pool dilution technique was used on intact soil cores. There were no significant differences in gross rates of mineral N production (miner-alization and nitrification) between sampling locations in grassland agroforestry and open grasslands within soil types. Management (grassland agroforestry vs open grassland) or vege-tation type (tree or grass) did not affect soil-N cycling, thus opposing the hypothesis that gross rates of soil-N cycling are higher in the tree rows than in the grass rows or open grassland. Instead, N-cycling rates and microbial biomass were rather affected by soil types. Grassland agroforestry can thus be equally efficient in terms of soil N availability and soil-N cycling compared to open grassland and can be a sustainable alternative management system. This thesis overall shows that temperate grassland agroforestry can be a sustainable alternative management system to open grassland in terms of NRE, nutrient leaching and by sustaining an active N-cycling. However, multi-year evaluations, both of the economic benefit and the eco-logical functions, are needed in order to quantify long-term trends, which could then provide a robust basis for inclusion of agroforestry into a broader framework of policy.