Introducing new miscanthus hybrids into the European bioeconomy : the effect of environment and management on biomass quantity and quality

Miscanthus has been identified as a promising lignocellulosic perennial biomass crop for temperate climates and different (marginal) soils in terms of yield and ecological benefits. The cultivation of miscanthus brings numerous ecological advantages, such as a reduction in soil erosion, protection of aquatic ecosystems from alteration through eutrophication, and increasing heterogeneity in annual arable landscapes leading to increased biodiversity compared to annual crops. Reasons for this are its perenniality, the long period of time it stands on the field, and its low fertiliser and plant protection demands. Nevertheless, the area under cultivation in Europe is limited. The reasons are that the scientific yield levels are not reached commercially, and the only commercially cultivated hybrid Miscanthus × giganteus (M×g) is sterile. Miscanthus is therefore currently propagated and established via rhizomes, which limits upscaling. However, the seed-based hybrids tested so far do not reach the potential of M×g in terms of yield, quality, and ecological impact under a wide range of climatic conditions. To improve the integration of miscanthus as a biomass crop in the growing European bioeconomy, it is required to reach high and stable yields over several years (security of biomass supply) and a low ecological impact by low nutrient offtakes under different European climates. Therefore, it is essential to gain agronomic knowledge on how genetic (G), location-specific environment (E), and management (M) factors and the interactions between them affect the security of biomass supply and ecosystem services of novel seed-based hybrids. Against this background, the research objectives of this study are: 1) to investigate the effect of the onset of the growing season on biomass supply security and how it is affected by late spring frosts, 2) to assess G × E interaction effects on miscanthus biomass security, and 3) to assess G × E × M interaction effects on nutrient offtake, yield and quality of miscanthus biomass. For this purpose, new seed- and rhizome-based miscanthus hybrids were compared with the commercially grown M×g and evaluated for biomass yield, quality, and nutrient offtakes (a key parameter defining the ecological impact) under different European conditions to determine biomass supply security and ecological effects. The effect of the management parameters cutting height and harvest time was also analysed. The results show that to reach a high biomass supply security, avoiding damage by late spring frosts is essential. An effective mechanism is a low frost sensitiveness of the emerging shoots and to produce new shoots over the whole growth period, as observed for the seed-based M. sinensis × sinensis (M sin×sin). By contrast, a late emergence and producing fewer, thicker but frost-susceptible shoots at the beginning of the growing season, as observed for rhizome-based M×g and rhizome- and seed-based M. sacchariflorus × sinensis (M sac×sin), endangers the biomass supply security in case of frost after emerging. Over the first three years, the establishment process of miscanthus depended on location and hybrid. The M sin×sin hybrids flowered and senesced earlier than the taller M sac×sin hybrids. Active senescence, probably initiated by flowering, increases biomass quality by reducing the moisture and nutrient content. Following the third growing season, the highest yields were recorded at the low-altitude site in northern Italy and the lowest on a industrially damaged marginal land site in northern France. Moisture contents at spring harvest were lowest in Croatia and highest in Wales, United Kingdom. A lower moisture content is highly desirable for transport, storage and most end-use applications. Overall, lower moisture contents at harvest were found in M sin×sin hybrids than in M sac×sin. As expected, delaying the harvest until spring reduced yield and nutrient contents. At lower latitudes, the late-ripening M sac×sin combined high yields with low nutrient contents when harvested in spring. At the most elevated latitude location (Wales), the early-ripening M sin×sin combined high biomass yields with low nutrient offtakes. The M×g clone with intermediate flowering and senescence showed similarly low nutrient contents at all locations. An increased cutting height at spring harvest decreased yields by 270 kg ha-1 (0.83%) with each 1-cm increase in cutting height up to 40 cm. Although whole shoot mineral concentrations were significantly influenced by both hybrid and year interactions, total nutrient contents did not differ significantly from those in the lower basal sections. In years with wet conditions before harvest, an increase in cutting height of 10 cm decreased moisture content by up to 8%, whereas the effect during dry conditions was marginal. To achieve high biomass supply security and increased ecological benefits in miscanthus cultivation, the results of this study lead to the recommendation to cultivate M sin×sin hybrids at locations with a high risk of late spring frosts, as observed in northern European sites, and M sac×sin hybrids at locations where the risk is low, as observed in southern Europe. In southern Europe, M sac×sin hybrids achieved high yields with low nutrient and moisture contents as they made use of the long vegetation period. In general, M sin×sin has a shorter growth period than M sac×sin hybrids, making it the perfect hybrid for northern Europe, where the vegetation period is short. To ensure biomass supply in regions with extreme minimum winter temperatures and late spring frosts, miscanthus should be harvested in spring due to the thicker mulch layer, which functions as insulation. To ensure biomass supply security, a successful establishment is essential. Therefore, during the establishment phase, harvest should generally take place in spring, as the establishment period is crucial for securing biomass yield throughout the cultivation period. Weakening or even loss of plants during this period will lead to higher weed pressure and lower than optimal yields. The harvest cutting height should be as low as possible to achieve a higher yield without an over-proportional increase in nutrient offtake. However, cutting height needs to be adapted according to local conditions by finding an optimum between biomass loss and the risk of damage to harvest machinery and contamination of the biomass by soil. Should the moisture content of the biomass be too high for safe storage due to wet conditions during harvest, the cutting height can be increased to avoid costly post-harvest drying procedures. This study recommends hybrids for specific locations in Europe, provides important data for determining harvest timing and height, and key data on the ecological impact. It shows that the cultivation of miscanthus in Europe, taking into account the G × E × M interactions, has the potential to secure the biomass supply for the growing bioeconomy while positively influencing the provision of ecosystem services. Furthermore, integrating miscanthus into the agricultural system increases its resilience by diversifying the crops grown, the structure of the agricultural landscape and farmers income.

Miscanthus ist bezüglich Ertrag und Umweltauswirkung eine vielversprechende, mehrjährige Biomassepflanze für gemäßigte Klimazonen und unterschiedliche (marginale) Böden. Der Anbau von Miscanthus bringt zahlreiche ökologische Vorteile mit sich, wie z. B. die Verringerung der Bodenerosion, den Schutz aquatischer Ökosysteme vor Eutrophierung und die Erhöhung der Heterogenität innerhalb einjähriger Ackerbaukulturen, wodurch die biologische Vielfalt gefördert wird. Zusätzlich verbessert Miscanthus die Biodiversität als Dauerkultur und durch seine lange Standzeit auf dem Feld bis zur Ernte sowie den geringen Bedarf an Dünger und Pflanzenschutzmitteln. Dennoch ist die Anbaufläche in Europa begrenzt. Ein Grund dafür ist, dass in der landwirtschaftlichen Praxis die Erträge aus dem Versuchsanbau bisher nicht erreicht werden und der einzige kommerziell angebaute Miscanthushybrid Miscanthus × giganteus (M×g) steril ist. Die Vermehrung und Etablierung basieren daher auf Rhizomen, was den Anbau im großen Maßstab erschwert. Die bis jetzt getesteten saatgutbasierten Hybride erreichen jedoch nicht das Potenzial von M×g in Bezug auf Ertrag, Qualität und Umweltwirkung unter verschiedensten Klimabedingungen. Um die Integration von Miscanthus als Biomassepflanze in die wachsende europäische Bioökonomie zu verbessern, müssen jedoch sowohl hohe und stabile Erträge über mehrere Jahre (Biomasseversorgungssicherheit) als auch geringe ökologische Auswirkungen durch geringe Nährstoffabfuhr unter verschiedenen europäischen Klimabedingungen erreicht werden. Daher ist es wichtig, wissenschaftliche Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie genetische (G), Umwelt- (E), Management- (M) Faktoren und deren Wechselwirkungen die Sicherheit der Biomasseversorgung und die Ökosystemleistungen neuer samenbasierter Hybride beeinflussen. Vor diesem Hintergrund sind die Forschungsziele der vorliegenden Studie folgende: 1) die Untersuchung der Auswirkungen von Vegetationsbeginn und späten Frühjahrsfrösten auf die Biomasseversorgungssicherheit, 2) die Bewertung der G × E-Interaktionseffekte auf die Biomasseversorgungssicherheit und 3) die Bewertung der G × E × M-Interaktionseffekte auf die Nährstoffabfuhr, den Ertrag und die Qualität der Miscanthus-Biomasse. Zu diesem Zweck wurden neue samen- und rhizombasierte Miscanthushybride mit M×g verglichen und hinsichtlich Biomasseertrag, Qualität und Nährstoffabfuhr (ein wichtiger Parameter für die Umweltauswirkungen) unter verschiedenen europäischen Bedingungen untersucht, um Erkenntnisse über die Sicherheit der Biomasseversorgung und die ökologischen Auswirkungen des Anbaus zu gewinnen. Zusätzlich wurden der Einfluss der Bewirtschaftungsparameter Schnitthöhe und Erntezeitpunkt analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass es für eine hohe Biomasseversorgungssicherheit wichtig ist, Schäden durch Spätfröste im Frühjahr zu vermeiden. Ein wirksamer Mechanismus ist eine geringe Frostempfindlichkeit der austreibenden Triebe und die Fähigkeit zur Produktion neuer Triebe über die gesamte Wachstumsperiode, wie bei dem samenbasierten M. sinensis × sinensis (M sin×sin) beobachtet. Im Gegensatz dazu gefährden ein später Austrieb und die Bildung weniger, dickerer, aber frostempfindlicher Triebe zu Beginn der Vegetationsperiode, wie sie bei dem rhizombasierten M×g und den rhizom- und samenbasierten M. sacchariflorus × sinensis (M sac×sin) beobachtet wurden, die Sicherheit der Biomasseversorgung bei Spätfrösten. Die M sin×sin Hybride blühten und reiften früher ab als die höher wachsenden M sac×sin Hybride. Eine aktive Seneszenz, die wahrscheinlich durch die Blüte eingeleitet wird, erhöht die Qualität der Biomasse durch die Reduktion des Feuchtigkeits- und Nährstoffgehaltes. Nach dem dritten Wachstumsjahr wurden die höchsten Erträge an dem Standort in Norditalien und die niedrigsten Erträge an einem durch industrielle Abwässer kontaminierten Grenzertragsstandort in Nordfrankreich verzeichnet. Der Feuchtigkeitsgehalt bei der Frühjahrsernte war in Kroatien am niedrigsten und in Wales (Vereinigtes Königreich) am höchsten. Ein niedriger Feuchtigkeitsgehalt ist für den Transport, die Lagerung und zahlreiche Endverwendungszwecke äußerst wünschenswert. Insgesamt wurden bei M sin×sin niedrigere Feuchtigkeitsgehalte bei der Ernte festgestellt als bei M sac×sin. Die Verzögerung der Ernte bis zum Frühjahr führte erwartungsgemäß zu geringeren Erträgen und Nährstoffgehalten. In niedrigeren Breitengraden erreichte der spät abreifende M sac×sin hohe Erträge und niedrige Nährstoffgehalte. Am nördlichsten Standort (Wales) erzielte der früh abreifende M sin×sin hohe Biomasseerträge und eine geringe Nährstoffabfuhr. Der M×g mit einem mittleren Blühzeitpunkt und Seneszenz wies an allen Standorten ähnlich niedrige Nährstoffgehalte auf. Eine größere Schnitthöhe bei der Frühjahrsernte verringerte den Ertrag um 270 kg ha-1 (0,83 %) mit jeder Zunahme der Schnitthöhe um 1 cm bis zu 40 cm. Obwohl die Nährstoffkonzentrationen im gesamten Trieb durch die Wechselwirkungen zwischen Hybrid und Wachstumsjahr signifikant beeinflusst wurden, unterschieden sich die Gesamtnährstoffgehalte nicht signifikant von den in den unteren Triebabschnitten. In Jahren mit feuchten Bedingungen vor der Ernte verringerte eine Erhöhung der Schnitthöhe um 10 cm den Feuchtigkeitsgehalt um bis zu 8 %, während die Wirkung bei trockenen Bedingungen gering war. Mit dem Ziel, eine hohe Versorgungssicherheit mit Biomasse und einen hohen ökologischen Nutzen durch den Miscanthusanbau zu erreichen, führen die Ergebnisse dieser Studie zu der Empfehlung, M sin×sin Hybriden an nordeuropäischen Standorten mit einem hohen Spätfrostrisiko und M sac×sin Hybride an Standorten mit geringem Spätfrostrisiko, wie in Südeuropa, anzubauen. In Südeuropa erzielten die M sac×sin Hybriden zudem hohe Erträge bei niedrigen Nährstoff- und Feuchtigkeitsgehalten, da sie die lange Vegetationsperiode am besten nutzten konnten. Im Allgemeinen hat M sin×sin eine kürzere Wachstumsperiode als M sac×sin Hybride und ist damit der perfekte Hybrid für Nordeuropa, wo die Vegetationsperiode kurz ist. Um die Biomasseversorgung in Regionen mit extremen Wintertiefsttemperaturen und späten Frühjahrsfrösten sicherzustellen, sollte Miscanthus aufgrund der dickeren Mulchschicht, die als Isolierung fungiert, im Frühjahr geerntet werden. Um die Biomasseversorgungssicherheit sicherzustellen, ist eine erfolgreiche Etablierung unerlässlich. Daher sollte während der Etablierungsphase generell erst im Frühjahr geerntet werden, da diese Phase entscheidend für die Sicherung des Biomasseertrags während der gesamten Anbauperiode ist. Eine Schwächung oder gar ein Verlust von Pflanzen in dieser Zeit führt zu einem höheren Unkrautdruck und zum Verfehlen des Ertragspotenzials. Die Schnitthöhe bei der Ernte sollte so niedrig wie möglich sein, um einen höchstmöglichen Ertrag zu erzielen, ohne dass die Nährstoffabfuhr überproportional ansteigt. Die Schnitthöhe muss jedoch an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden, indem ein Kompromiss zwischen möglichst geringem Biomasseverlust einerseits und andererseits dem Risiko von Schäden an den Erntemaschinen und der Verunreinigung der Biomasse durch Erde gefunden wird. Ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt der Biomasse, aufgrund ungünstiger Bedingungen während der Erntephase, kann durch eine größere Schnitthöhe verringert werden, um eine Trocknung nach der Ernte zu vermeiden. Diese Studie gibt Empfehlungen für die standortabhängige Auswahl von Miscanthushybriden für Europa, liefert wichtige Daten zur Bestimmung des Erntezeitpunktes und der Schnitthöhe sowie Eckdaten zu den ökologischen Auswirkungen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Anbau von Miscanthus in Europa, unter Berücksichtigung der G × E × M Wechselwirkungen, das Potenzial hat, eine hohe Biomasseversorgungssicherheit für die wachsende Bioökonomie und gleichzeitig Ökosystemleistungen bereitzustellen. Darüber hinaus erhöht die Integration von Miscanthus in das landwirtschaftliche System dessen Widerstandsfähigkeit durch Diversifizierung der angebauten Kulturen, der Struktur der Agrarlandschaft und des Einkommens der Landwirte.