Bedarfsgerechte Stickstoffernährung von Hopfen (Humulus lupulus L.) durch Düngesysteme mit Fertigation | Demand-oriented nitrogen nutrition of hops (Humulus lupulus L.) through fertilization systems with fertigation

Stickstoff stellt bei Hopfen (Humulus lupulus L.) den mengenmäßig wichtigsten und am stärksten ertragslimitierenden Pflanzennährstoff dar, wobei überschüssiger nicht von der Hopfenpflanze aufgenommener Stickstoff unterschiedlichen Verlustprozessen unterliegt. Trotzdem ist für die aktuell in der Hallertau, dem weltweit bedeutendsten Hopfenanbaugebiet, kultivierten Hopfensorten und genutzten Anbausysteme nur wenig über die exakten Auswirkungen eines in Zeit und Höhe variierten N-Angebots bekannt. Die auszubringende Menge an Stickstoff wird in der Hallertau zum Großteil durch oberflächiges Streuen granulierter N-Düngemittel zugeführt, wohingegen in semiariden Anbauregionen der Welt hohe Anteile über das Bewässerungswasser (Fertigation) appliziert werden. Ziel dieser Arbeit war es N-Düngesysteme mit Fertigation unter den Bedingungen in der Hallertau im Hinblick auf eine bedarfsgerechtere Stickstoffernährung der Hopfenpflanze zu untersuchen. Hierzu wurden vier Forschungsfragen mit jeweils verschiedenen Teilaspekten formuliert, die nachfolgend erläutert werden. Die experimentelle Prüfung und Gewinnung empirischer Daten erfolgte im Zeitraum von 2017 bis 2019 in unterschiedlich konzeptionierten Feldversuchen in drei Versuchsserien auf verschiedenen Standorten mit den wichtigsten Hopfensorten. Dabei wurde sowohl der Zeitpunkt und die Höhe der N-Düngung variiert, als auch die Düngerapplikationsform (Oberflächige Applikation granulierter Dünger und ober- bzw. unterirdische Fertigation). Neben der Ermittlung von Ertrag, Qualität und N-Aufnahme zum Zeitpunkt der Ernte, wurden in einzelnen Feldversuchen weiterführende Untersuchungsmethoden wie die 15N-Tracer-Technik, Chlorophyllwertmessungen (SPAD-Meter) oder passive Reflexionsmessungen eingesetzt, um die N-Aufnahme und N-Verteilung in unterschiedliche Pflanzenorgane zu charakterisieren. a) Wie wirkt sich ein in Zeit und Höhe variiertes N-Angebot aus? Es wurde ermittelt, dass eine Hopfenpflanze mehr als zwei Drittel des gesamten Stickstoffs in einem 7- bis 8-wöchigen Zeitraum zwischen Anfang Juni und Ende Juli, während der Phase der Hauptbiomassebildung, aufnimmt. Obwohl vor dieser Phase relativ geringe Mengen an Stickstoff in der Pflanze akkumuliert werden, zeigte sich bei den Aromasorten Perle und Tradition, dass eine N-Unterversorgung in frühen Wachstumsphasen bis Ende Mai bereits zu einer Verringerung des Ertragspotenzials führt. Ursächlich hierfür war eine Veränderung des Habitus der Pflanzen, denn je später eine definierte Menge an Stickstoff ausgebracht wurde, desto stärker reduzierte sich die Ausbildung der Seitentriebe von unten beginnend bis in höhere Pflanzenabschnitte. Eine ausschließliche Ausrichtung des Zeitpunkts der N-Applikation an der N-Aufnahmekurve der Hopfenpflanze ist somit weder im Hinblick auf die Ertragsbildung noch die Stickstoffverwertung als sinnvoll anzusehen. Stattdessen ist bei frühreiferen Sorten wie Perle und Tradition die frühzeitige Applikation einer ersten N-Gabe bereits im April von entscheidender Bedeutung. Spätreifere Sorten wie Herkules weisen durch die verlängerte Wachstumsphase hingegen ein höheres Kompensationspotenzial auf, wodurch eine stärkere Anpassung der N-Düngung an die N-Aufnahmekurve möglich ist. Die ertragsoptimale Höhe der N-Düngung wurde vom sorten-, witterungs- und standortabhängigen Wachstumsverlauf und damit der N-Aufnahme des Pflanzenbestands sowie dem Vorrat an mineralischem Stickstoff im Boden und dem standortspezifischen N-Nachlieferungspotenzial bestimmt. Erfolgte eine Reduktion der N-Düngung auf ein Niveau deutlich unter dem N-Entzug der Pflanze, führte dies im selben Anbaujahr nicht zwingend zu einer Einschränkung der Biomasse- und Ertragsbildung, jedoch zu einer beschleunigten Reife und einer Verschlechterung der äußeren Doldenqualität. Darüber hinaus zeigte sich bei einem stark reduzierten N-Düngeniveau, dass die N-Einlagerung in die Speicherwurzeln abnimmt, wodurch die Pflanzen im Frühjahr des Folgejahres eine geringere Vitalität aufwiesen und die Entwicklung wie auch Ertragsbildung limitiert waren. Hinsichtlich der perennierenden Eigenschaften einer Hopfenpflanze und dem Ziel einer möglichst bedarfsgerechten Stickstoffernährung des Hopfens besteht somit die Notwendigkeit auch die Speicherwurzeln ausreichend mit Stickstoff zu ernähren. Im Hinblick auf den wertgebenden Inhaltsstoff Alphasäure wurde ermittelt, dass ein hohes N-Versorgungsniveau während der Phase der Alphasäuresynthese (ab Anfang August) bei der Sorte Herkules zu einer Reduktion des Alphasäuregehalts führen kann. Dazu führen kann sowohl eine späte und übermäßige N-Düngung, als auch ein hoher Vorrat an mineralischem Stickstoff im Boden und ein erhöhtes N-Nachlieferungspotenzial. Bei den untersuchten Aromasorten Perle und Tradition wurde dieser Effekt hingegen nicht beobachtet. b) Kann der aktuelle N-Ernährungszustandes nicht-invasiv erfasst werden? Die Messung des Chlorophyllwertes mit einem SPAD-Meter an den unteren Blättern des Haupttriebs bildete den N-Gehalt und N-Versorgungszustand der Hopfenpflanze grundsätzlich ab. Kurzfristige Änderungen des N-Ernährungszustandes konnten jedoch, vor allem während der Phase der Hauptbiomassebildung, an diesem Messpunkt nicht hinreichend genau erfasst werden, da erhöhte Anteile des ausgebrachten Stickstoffs in höher liegende Pflanzenabschnitte transportiert wurden, wie sich im Rahmen des 15N-Einsatzes zeigte. Hinsichtlich der Festlegung von Schwellenwerten wird unabhängig vom Messpunkt eine Unterteilung der Pflanzenentwicklung in vor, während und nach der Hauptbiomassebildung als sinnvoll erachtet, da eine Abhängigkeit des Chlorophyllwertes vom Entwicklungszustand der Pflanze besteht. Vegetationsindices, berechnet auf Basis von Reflexionsspektren, bilden neben dem N-Gehalt auch die tatsächliche N-Aufnahme des Pflanzenbestands ab, weshalb passive Reflexionsmessungen im Vergleich zu Chlorophyllwertmessungen eine höhere Aussagekraft hinsichtlich des aktuellen N-Versorgungszustandes der Pflanze haben. Diese Technologie könnte deshalb zukünftig genutzt werden, um eine standortspezifische Optimierung von Höhe und Zeitpunkt der N-Düngung und dadurch eine bedarfsgerechtere Stickstoffernährung der Hopfenpflanze zu erreichen. c) Welche Effekte hat eine ober- bzw. einer unterirdischer Tropfbewässerung? Im Untersuchungszeitraum von 2017 bis 2019 führte die zusätzliche Bewässerung der Aromasorte Perle auf einem sandigen Boden in jedem Anbaujahr zu einer Stabilisierung der agronomischen Kennzahlen Doldenertrag und Alphasäuregehalt. Darüber hinaus wurde durch Bewässerung auch die Stickstoffverwertung verbessert. Bei einer aufgrund hydraulischer Bodeneigenschaften limitierten horizontalen Verteilung des ausgebrachten Wassers erreichte die oberirdische Tropfbewässerung eine höhere Effizienz als die unterirdische. Ursächlich hierfür ist, dass sich das Feinwurzelwerk einer Hopfenpflanze zu hohen Anteilen im aufgeschütteten Bifang und in den darunter liegenden Bodenschichten befindet. d) Welche Auswirkungen hat eine Stickstoffernährung über das Bewässerungswasser? Es wurde ein Systemvergleich zwischen N-Düngesystemen mit Fertigation und ausschließlicher N-Applikation in granulierter Form angestellt. Dabei führte die Nutzung von Fertigation nicht nur zu einer Verbesserung des Doldenertrags und Alphasäuregehalts, sondern auch zu einer Steigerung des Stickstoffentzugs und Reduktion des Nmin-Gehalts im Boden, wodurch auch eine Verringerung des Risikos einer Nitrat-Auswaschung ins Grundwasser einhergeht. Düngesysteme mit Fertigation erreichten vor allem bei einem niedrigen N-Düngeniveau eine höhere Stickstoffverwertung. Bei Applikation von zwei Drittel der gesamten N-Menge über das Bewässerungswasser erwies sich unter Bedingungen eines limitierten N-Angebots die Konzentration des über Fertigation auszubringenden N-Anteils auf einen 6-wöchigen Zeitraum sortenunabhängig als positiv, da ein höherer N-Anteil während der Hauptbiomassebildung und der Phase des Seitentriebwachstums appliziert wurde. Für eine effiziente Düngung mit Fertigation sollte die Applikation zwischen Mitte Juni und Ende Juli stattfinden und ab Anfang August keine wesentlichen Mengen an Stickstoff mehr ausgebracht werden. Bei frühreiferen Sorten wie Perle und Tradition besteht die Gefahr einer nicht rechtzeitigen N-Applikation, da eine Verlegung des Tropfschlauches vor KW25 kaum zu realisieren ist. Deshalb sollte bei diesen Sorten ein höherer N-Anteil in früheren Wachstumsphasen ausgebracht werden und die über Fertigation ausgebrachte N-Menge kleiner zwei Drittel der Gesamt-N-Düngermenge sein. Als wesentlicher Vorteil von Düngesystemen mit Fertigation konnte belegt werden, dass über das Bewässerungswasser ausgebrachter Stickstoff von den Pflanzen unmittelbar aufgenommen wird, wodurch kurzfristig und effektiv in die Stickstoffernährung der Hopfenpflanze eingegriffen werden kann. Auf Basis einer zuverlässigen Erfassung des aktuellen N-Versorgungszustands während der Hauptwachstumsphase könnte durch Fertigation eine Korrektur der N-Düngung erfolgen und somit eine standortangepasste bedarfsgerechte Stickstoffernährung des Hopfens erreicht werden.

In terms of quantity, nitrogen is the most important and most yield limiting plant nutrient in hops (Humulus lupulus L.), whereby excess nitrogen not taken up by the hop plant is subject to various loss processes. Despite that, little is known about the exact effects of an N supply varying in rate and timing for the hop varieties and cultivation systems currently used in the Hallertau, the worlds most important hop-growing region. In the Hallertau, the required amount of nitrogen is largely supplied by surface spreading of granulated N fertilizers, whereas in semi-arid growing regions, high proportions are applied via irrigation water (fertigation). The aim of this thesis was to examine nitrogen fertilization systems with fertigation under the conditions in the Hallertau region with regard to a nitrogen nutrition that is based on the hop plant’s needs. Therefore, four research questions with different sub-aspects have been formulated, as explained below. From 2017 to 2019 the experimental research and the acquisition of empirical data has been conducted in various field trials consisting of three trial series examining the most important hop varieties at different locations. Apart from a variation in rate and timing of N fertilization, different fertilizer application forms (surface application of granulated fertilizer and above- or below-ground fertigation) have also been examined. In addition to the determination of yield, quality and N-uptake at the time of harvest, further analysis methods such as the 15N-Tracer-Technique, chlorophyll value measurements (SPAD-Meter) or passive reflection measurements were used in individual field trials to depict the N-uptake and N-distribution in different parts of the plant. a) Which effects have different nitrogen treatments varied in rate and timing? These studies found that the hop plant absorbs more than two thirds of the total amount of nitrogen over a period of 7 to 8 weeks between early June and end of July - during formation of main biomass. Despite the fact that only a low amount of nitrogen is accumulated in the plant prior to this stage, the varieties Perle and Tradition showed that a nitrogen deficit in early growth stages until end of May already leads to a decrease of yield potential. This is due to a change in the variety-characteristic formation of lateral shoots (side arms) - the later the application of nitrogen, the greater the formation of side arms was reduced, starting from the bottom to higher plant sections. Consequently, a nitrogen fertilization solely based on the hop plant’s N uptake curve cannot be recommended, neither regarding yield formation nor nitrogen utilization. Instead, an early application of the first nitrogen treatment in April is of vital importance for early maturing varieties such as Perle and Tradition. Late maturing varieties like Herkules show a higher potential of compensation due to prolonged growth phases which enables a higher adaption of N-Fertilization to the plant’s N uptake curve. The ideal amount of nitrogen fertilization with regard to yield optimization has been determined by the growth pattern - depending on variety, weather conditions and location - and therefore by the N uptake, the supply of mineral nitrogen in the soil as well as the location-specific N mineralization potential. A reduction of the nitrogen fertilization to a level significantly below the plant’s N uptake not necessarily led to a limitation of biomass and yield formation in the same year, however, it resulted in an accelerated ripening and a negative impact on external cone quality. Furthermore, it showed that the storage of nitrogen in specific storage roots declines if N levels are significantly reduced, leading to lower vitality as well as limited plant development and yield formation in the following year. With regard to the hop plant’s perennial properties as well as the goal to achieve a demand-oriented nitrogen nutrition of the hop plant it is also necessary to supply the storage roots with enough nitrogen. With respect to valuable contents of alpha acid it has been found that high N supply levels during the stage of alpha acid synthesis (starting from early August) can result in a reduction of alpha acid concentration in the variety Herkules. This decrease can be caused by late and excessive N fertilization as well as by high mineral N contents in the soil. However, this effect has not been observed in the aroma varieties Perle and Tradition. b) Is it possible to determine the current nitrogen nutritional status through non-invasive methods? The measurement of the chlorophyll value with a SPAD-Meter on the lower leaves of the main shoot generally reflected the N content and N supply status of the hop plant. However, short-term changes in the N nutritional status could not be recorded with sufficient accuracy at this measuring point, especially not during the stage of main biomass formation, since increased proportions of the applied nitrogen were transported to higher plant sections, as was shown by the use of 15N. Regarding the determination of threshold values a classification of the plant development into before, during and after main biomass formation independent of the measuring point, is considered appropriate, since the chlorophyll value correlates with the plant’s development stage. Vegetation indices, calculated on the basis of reflectance spectra, represent not only the N content but also the actual N uptake of the crop, which is why passive reflectance measurement methods have a higher informative value with regard to the current N supply status of the plant compared to chlorophyll value measurements. Therefore, this technology could be used to achieve a site-specific optimization of rate and timing of N fertilization and thus a more demand-oriented nitrogen nutrition of the hop plant in the future. c) What are the effects of surface and subsurface drip irrigation? In the period from 2017 to 2019, additional irrigation of the aroma variety Perle on sandy soil led to a stabilization of the agronomic parameters cone yield and alpha acid content every year. In addition, irrigation also achieved an improvement of nitrogen utilization. Compared to subsurface systems, surface drip irrigation achieved a higher efficiency if the horizontal water distribution was limited by hydraulic soil properties. It was shown that this is due to the fact that the majority of the hop plant’s fine root system is located in the hill formed along the hop rows and the soil layers beneath it. d) What are the effects of a nitrogen nutrition via irrigation water? A system comparison was made between N fertilization systems with fertigation and a solely granulated N application. The use of fertigation resulted not only in an improvement of cone yield and alpha acid content, but also in an increase of the plants nitrogen uptake and a reduction of Nmin content in the soil, which is also associated with a reduction of the risk of nitrate leaching into the groundwater. Fertilization systems with fertigation achieved a higher nitrogen utilization especially at low N-fertilization rates. If two thirds of the total amount of nitrogen were applied via irrigation water, the concentration over a 6-week period proved to have a positive impact on all analyzed varieties, especially under conditions of a limited N supply, since a higher proportion of N has been applied during main biomass formation and the stage of lateral shoot growth. For an efficient N-fertilization with fertigation the application should take place between mid-June and late July while no significant amounts of nitrogen should be applied after early August. For early maturing varieties such as Perle and Tradition, there is a risk of a late N application as it is hardly possible to lay out the drip tubes before the 25th week of the year. Therefore, in early maturing varieties, a higher proportion of N should be applied in earlier growth stages while the amount of N applied via fertigation should be less than two-thirds of the total amount of N fertilizer. A substantial advantage of fertilization systems with fertigation is that nitrogen applied via the irrigation water is immediately absorbed by the plants, which allows an effective short-term intervention in the plant’s nitrogen nutrition. On the basis of a reliable recording of the current N supply status with sensors during the main growth stage, fertigation could be used to adjust the N fertilization in order to achieve a site-specific and demand-oriented nitrogen nutrition of the hop plant.