Eine vergleichende Studie von fünfzehn Zwischenfruchtarten für die Bodenbewirtschaftung von Obstgärten: Wasseraufnahme, Wurzeldichtemerkmale und Bodenaggregatstabilität

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 721 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der verstärkte Einsatz von Zwischenfrüchten (CCs) ist im nachhaltigen Weinbau eine Notwendigkeit, auch wenn dies mit einer möglichen übermäßigen Konkurrenz gegenüber Reben kollidieren könnte. Insbesondere in einem Szenario des Klimawandels sollte letzteres unter Beibehaltung der Ökosystemleistungen minimiert werden. Mit dem Ziel, CCs für die Bodenbewirtschaftung von Weinbergen zu identifizieren, charakterisierte der Versuch mehrere Arten anhand ihrer Evapotranspirationsrate (ET), ihres Wurzelwachstumsmusters und ihres Stabilitätspotenzials für Bodenaggregate. Die Studie wurde 2020 in Piacenza (Norditalien) an 15 CC-Arten durchgeführt, die in Töpfen im Freien gezüchtet und in Gräser (GR), Hülsenfrüchte (LE) und Kriechpflanzen (CR) eingeteilt wurden. Zusammen mit nacktem Boden (Kontrolle) wurden sie in einem vollständig randomisierten Blockdesign angeordnet. CCs ET wurde durch eine gravimetrische Methode ermittelt, die vor dem Mähen begann und dann 2, 8, 17 und 25 Tage danach wiederholt wurde. Oberirdische Trockenbiomasse (ADW), Wurzellängendichte (RLD), Wurzeltrockengewicht (RDW) und Wurzeldurchmesserklassenlänge (DCL) wurden gemessen und der mittlere Gewichtsdurchmesser (MWD) innerhalb einer Tiefe von 0–20 cm berechnet. Vor dem Mähen war die ET bei LE am höchsten (18,6 mm Tag-1) und bei CR am niedrigsten (8,1 mm Tag-1), wobei letztere sogar niedriger war als bei der Kontrolle (8,5 mm Tag-1). Die von LE gezeigten hohen ET-Raten waren hauptsächlich auf eine sehr schnelle Entwicklung nach der Aussaat zurückzuführen und nicht auf eine höhere Transpiration pro Blattflächeneinheit. Nach dem Mähen ergab die Auftragung der ET-Reduktion (%) der 15 Arten gegen den Blattflächenindex (LAI, m2 m−2) eine sehr gute Übereinstimmung (R2 = 0,94), was darauf hindeutet, dass (i) jederzeit ein linearer Rückgang des Wasserverbrauchs zu erwarten ist Beginnend mit einem anfänglichen LAI von 5–6 scheint (ii) jenseits dieser Grenze ein Sättigungseffekt erreicht zu werden. Die Auswahl der im Weinberg zu verwendenden Zwischenfruchtarten basierte hauptsächlich auf der täglichen und saisonalen Wasserverbrauchsrate sowie der Dynamik und dem Ausmaß der Wurzelwachstumsmuster. Unter den GR stach Festuca ovina aufgrund ihrer „Zwergwuchseigenschaften“ als diejenige mit dem niedrigsten ET hervor, was sie für eine dauerhafte Zwischenreihenbedeckung geeignet macht. CR-Arten bestätigten ihr Potenzial für die Begrünung von Rebstöcken und gewährleisteten eine schnelle Bodenbedeckung, niedrigste ET-Raten und eine flache Wurzelbesiedlung.

Weinberge werden häufig auf von Natur aus schlechten Böden angelegt1 und intensiven Bewirtschaftungspraktiken ausgesetzt, die die Bodenfunktionen und die damit verbundenen Ökosystemdienstleistungen gefährden2,3,4. Darüber hinaus ist das mediterrane Klima häufig durch schwere Sommerdürren gekennzeichnet, die mit kurzen, aber heftigen Regenfällen im Herbst und Frühjahr einhergehen, was das Abfließen von Oberflächenwasser2,5, die Bodendegradation und die Erosion begünstigt6,7. Ein starker Oberflächenwasserabfluss aufgrund kurzer und starker Regenfälle im Herbst und Frühjahr entfernt die fruchtbarere Oberbodenschicht, wodurch der Gehalt an organischer Substanz (SOM) im Boden und die Kohlenstoffbindung (C), die Nährstoffverfügbarkeit und die Wasserhaltekapazität verringert werden, was zu einer Gesamtverschlechterung des Bodens führt Fruchtbarkeit und Pflanzenproduktivität8. Darüber hinaus neigen Bodenaggregate nach dem SOM-Verlust dazu, leichter aufzubrechen und die Erosionsgefahr des Bodens verschlechtert sich9,10. Schließlich sind Oberflächenabfluss und die daraus resultierende Bodenerosion die Hauptwege, über die Düngemittel- und Pestizidrückstände in Oberflächengewässer gelangen8.

Die konventionelle Bodenbewirtschaftung im Weinberg beeinflusst die Bodeneigenschaften2,11. Mechanisches Unkrautjäten kann zu einer physischen Verschlechterung der Weinbergböden führen7,12 und die biologischen Bodengemeinschaften auf verschiedenen trophischen Ebenen verändern13. Umgekehrt gilt der Zwischenfruchtanbau in Weinbergen als nachhaltige Bodenbewirtschaftungsstrategie, da er wesentliche Ökosystemleistungen des Bodens3 fördert, einschließlich der Infiltration von Oberflächenwasser14, der C-Sequestrierung15 und der verringerten Bodenerosion7,16,17. Darüber hinaus können Zwischenfrüchte (CCs) dazu beitragen, den Boden vor Wasser- und/oder Winderosion zu schützen, da sie die Stabilität der Bodenaggregate verbessern18 und sie vor dem Einfluss von Regentropfen schützen19.

CCs können auch dazu beitragen, eine günstige Bodenstruktur und eine stabile Porosität in Weinbergen zu verbessern/aufrechtzuerhalten20, da die Wurzelentwicklung und der Wurzelumsatz die Struktur des Unterbodens direkt beeinflussen und die Makroporosität erhöhen. Während des Wachstums üben Wurzeln Druck aus, der zu einer Neuorganisation des Bodenporennetzwerks führt21. Nach der Wurzelzersetzung bleiben die von der Wurzel gegrabenen Kanäle leer und bilden Bioporen22,23. Als Folge einer erhöhten Makroporosität des Bodens verbessern sich in der Regel während der Regenzeit die hydraulische Leitfähigkeit der Bodenoberfläche, die Wasserinfiltration und die Wiederauffüllung des Bodens 24,25. Wenn der Boden während eines Regenereignisses gesättigt ist, nimmt die hydraulische Leitfähigkeit der Bodenoberfläche ab, was zum Abfluss von Oberflächenwasser führt3. Einem solchen Rückgang wird teilweise durch das Vorhandensein eines CC26 entgegengewirkt. Darüber hinaus verringert die CC-Blattfläche die kinetische Energie von Regentropfen und fördert die Wasserinfiltration, da die Verweildauer des Wassers an der Bodenoberfläche zunimmt24.

Die durch CCs geförderte verbesserte Niederschlagsinfiltrationsrate und verbesserte Bodenwasserspeicherung könnten eine zusätzliche Bodenwasserspeicherung rechtfertigen25. Dies ist insbesondere in Gebieten von Bedeutung, in denen Niederschläge in relativ kurzer Zeit in einer Reihe von Starkregenereignissen auftreten3, wie im Mittelmeerraum. Allerdings sind Weinbauern in den Mittelmeerregionen immer noch recht zurückhaltend bei der Verwendung von CCs, da sie Bedenken hinsichtlich der Wasser- und Nährstoffkonkurrenz mit der Hauptkultur27,28 haben, da das oben genannte zusätzliche Wasserbudget schnell teilweise oder vollständig aufgebraucht werden könnte (d. h. versickert). das CC selbst29.

Typischerweise besteht die gebräuchlichste Technik des Zwischenfruchtanbaus in der Bewirtschaftung einheimischer Arten, die leicht verfügbar und kostengünstig sind4,30, aber in der Regel sowohl hinsichtlich Wasser als auch Nährstoffen am wettbewerbsfähigsten sind28,31.

Um die Konkurrenz abzuschwächen oder zu beseitigen, wird CC häufig im Frühjahr mit der Bodenbearbeitung4 beendet. Als negativer Nebeneffekt dieser Entscheidung gehen jedoch mehrere Vorteile verloren, die mit der dauerhaften Bedeckung des Weinbergbodens verbunden sind (z. B. erleichterter maschineller Transport bei feuchtem Boden, verringerte Bodenerosion usw.)4,32. Daher ist es immer noch notwendig, geeignete Strategien (z. B. CC-Arten und Anwendung der besten Kulturpraktiken) zu identifizieren, um die Vorteile der dauerhaften Bodenbedeckung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die CC-Konkurrenz in Weinbergen zu verringern.

Der Literatur zufolge kann das Mähen als nützliche kurzfristige Strategie zum Wasserschutz eingesetzt werden28,33. Nach dem Mähen schützt die an Ort und Stelle verbliebene Grasnarbenmasse den Boden zusätzlich vor Erosion und Abfluss34,35 und verbessert kurzfristig die Bodengesundheit36, während gleichzeitig die Wasserkonkurrenz und die Bodenverdunstung verringert werden33,37.

Um so viele positive externe Effekte wie möglich zu nutzen und die potenziellen Probleme im Zusammenhang mit dem Vorhandensein von CC in einem Weinberg zu reduzieren, ist es ratsam, von der Verwendung einheimischer Arten auf gesäte (d. h. ausgewählte) Arten umzusteigen30. Wenn darüber hinaus ein hohes Risiko einer Wasserkonkurrenz gegenüber der verbundenen Rebe beurteilt wird, ist die Auswahl des geeigneten CC-Typs von entscheidender Bedeutung. Dabei werden diejenigen bevorzugt, die eine geringere oberirdische Biomasse und Wurzelentwicklung aufweisen30, wobei davon ausgegangen wird, dass solche Eigenschaften einen geringeren Wasserverbrauch begünstigen31 ,38.

Leider ist die Nachfrage der Winzer nach wenig konkurrenzfähigen Arten bis heute weitgehend unbefriedigt38. Agroskop (Changins – Wädenswil, Schweiz) hat mit der Auswahl und Vermehrung von Genotypen mit geringer Konkurrenz für den Einsatz in Weinbergen begonnen39,40. Darüber hinaus sollte der gewünschte Ideotyp einige weitere wichtige Eigenschaften besitzen: (i) gute Etablierungskapazität und Widerstandsfähigkeit gegen wiederholtes Trampeln; (ii) Homogenität und dauerhafte Bodenbedeckung; (iii) wirksame Unkrautbekämpfung; (iv) mehrjähriger Habitus (um die Aussaatkosten zu senken); (v) reduzierte Luftentwicklung (um Wartungs- und Weinbergeingriffe zu reduzieren) und (vi) Wachstumsverzögerung im Sommer, gefolgt von einer Erholung im Herbst.

Unter fast fünfzig getesteten Arten wurden die besten Ergebnisse mit Hordeum murinum und in geringerem Maße mit Trifolium subterraneum und Trifolium repens erzielt39. Andere Studien haben gezeigt, dass mehrjährige Arten (z. B. Trifolium repens) tendenziell stärker mit Weinreben konkurrieren als einjährige Arten mit spontaner Nachsaat40. Es überrascht nicht, dass die weniger konkurrenzfähigen Pflanzen auch größere Schwierigkeiten bei der Etablierung der Grasnarbe und der Aufrechterhaltung einer guten Bodenbedeckung im Laufe der Zeit haben und häufig innerhalb von zwei oder drei Saisons von einheimischem Gras befallen werden41.

Dieser Topfversuch ist unseres Wissens nach der erste Fall eines vergleichenden Screenings zur Bewertung des Wasserverbrauchs, der Wurzelcharakterisierung und des Erosionsschutzpotenzials einer großen Anzahl von krautigen Arten, die möglicherweise für die Verwendung im Weinberg vorgesehen sind. Zusammen mit einigen bereits verwendeten CCs, wie z. B. Gräsern (GR) und Hülsenfrüchten (LE), wurden auch neue kriechende (CR) Pflanzen in die Studie einbezogen, da sie möglicherweise als lebender Mulch unter dem Spalier von Interesse sind.

Ziel der vorliegenden Studie war es, verschiedene CC-Arten zu vergleichen, um (i) den Wasserverlust (die Wassernutzung) vor und nach dem Mähen zu beurteilen, (ii) Wurzelmerkmale zu charakterisieren und ihre Auswirkungen auf die Bodenaggregation zu klären und (iii) die am meisten empfohlenen Arten für die Weinbergbedeckung zu identifizieren Zuschneiden.

Abbildung 1 zeigt die tägliche Evapotranspiration (ET, mm Tag−1) jedes getesteten CC vor dem Mähen (DOY, Tag des Jahres, 184) und 2, 8, 17 und 25 Tage nach dem Mähen (DOY 190, 196, 205 und 213). ); Als Referenz wurde auch nackter Boden herangezogen. Vor dem Mähen zeigten die ET-Raten signifikante Unterschiede zwischen und innerhalb der drei Gruppen. CR-Pflanzen hatten eine mittlere ET von 8,1 mm Tag-1, was niedriger war als die der anderen beiden Gruppen (10,6 bzw. 18,6 mm Tag-1 für GR bzw. LE) und die nackte Bodenkontrolle (8,5 mm Tag-1). . Auf DOY 184 wurden Werte von bis zu 9,4 (Glechoma hederacea L., GH) und 9,8 mm Tag-1 (Trifolium subterraneum L. cv. Denmark, TS) gefunden (Abb. 1), während sie bei etwa 7 mm Tag-1 lagen , Dichondra bereut JRForst. & G.Forst. (DR), Hieracium pilosella L. (HP) und Sagina subulata (Swartz) C. Presl (SS) ET waren geringer als die Bodenverdunstung selbst.

Vertikale Balken stellen den täglichen Wasserverbrauch bezogen auf die Bodeneinheit (ET, mm Tag−1) für den nackten Boden (gelb) und alle Zwischenfruchtarten dar, unterteilt in Kriechpflanzen (Blautöne) und Hülsenfrüchte (Grüntöne). ) und Gräser (Orangetöne). Die Evapotranspiration wurde mit einer gravimetrischen Methode vor (dh − 4) und 2, 8, 17 und 25 Tage nach dem Mähen gemessen. ET-Daten sind Mittelwerte ± SE (n = 4).

Am selben Tag wurde eine große ET-Variante innerhalb der GR-Gruppe als Festuca arundinacea Schreb registriert. Lebenslauf. Thor (FA) erzielte die höchsten täglichen ET-Werte (13,4 mm Tag−1), während bei Festuca ovina L. cv. Ridu (FO) wurde der Wasserverlust um 45 % (7,5 mm Tag−1) reduziert. Innerhalb der 15 CCs verzeichnete LE den höchsten ET vor dem Mähen mit Trifolium michelianum Savi cv. Bolta (TM) erreicht einen Höchstwert von 22,6 mm am Tag. Innerhalb von LE ist jedoch Medicago polymorpha L. cv. Scimitar (MP) zeigte ET-Werte von nur 12,1 mm Tag−1 (Abb. 1).

Zwei Tage nach dem Mähen verzeichneten alle getesteten CCs ET-Werte von weniger als 9 mm am Tag (Abb. 1). Darüber hinaus lag die Reduzierung des Wasserverbrauchs bei LE zwischen 56 % (M. polymorpha, MP) und 73 % (T. michelianum, TM), so dass T. michelianum (TM, 6,1 mm Tag−1), Medicago truncatula Gaertn. Lebenslauf. Paraggio (MT, 5,6 mm Tag-1) und M. polymorpha (MP, 5,2 mm Tag-1) verzeichneten niedrigere ET-Werte als der nackte Boden (7,0 mm Tag-1). Obwohl nach dem Mähen eine konsistente ET-Reduktion zu verzeichnen war, behielt GR die ET-Raten bei, die etwas höher waren als bei nacktem Boden, mit Ausnahme von F. ovina (FO), das mit 6,3 mm am Tag den niedrigsten Wert verzeichnete. Nachfolgende Probenahmen zeigten, dass sich der Wasserverbrauch bei den meisten CCs zunehmend erholte (Abb. 1), und die 17 Tage nach der Mahd erfassten Daten bestätigten, dass Lotus corniculatus L. cv. Leo (LC) und alle GR erzielten ET-Raten vor dem Mähen. Medicago lupulina L. cv. Jungfrau (ML) verzeichnete 17 und 25 Tage nach dem Mähereignis eine teilweise Erholung mit ähnlichen Raten (ca. 13 mm pro Tag). F. ovina und alle verbleibenden LE blieben bis zum Ende des Versuchs unter 10 mm Tag-1 mit ET-Werten nahe der Kontrolle. 17 Tage nach dem Grasschneiden erreichten sowohl G. hederacea (GH) als auch T. subterraneum (TS) unter einer recht hohen Biomasse, die über den Topf hinausgeht, ET-Werte von bis zu 12,0 bzw. 11,4 mm Tag−1. Andererseits blieben D. repens (DR), H. pilosella (HP) und S. subulata (SS), obwohl sie etwas höhere ET-Werte aufwiesen als die zu Beginn des Versuchs registrierten (DOY 184), nahe beieinander die Bodenverdunstungsraten bis DOY 213.

Die oberirdische trocken geschnittene Biomasse zum ersten Mähtermin (ADW_MW1, DOY 188) zeigte große Unterschiede zwischen den Gruppen, wie in Tabelle 1 dargestellt. ADW_MW1 innerhalb von LE war ziemlich variabel, da die Werte zwischen 274,3 gm-2 (M. polymorpha, MP) und lagen 750,0 gm-2 (T. michelianum, TM). Mit einem Mittelwert von 565,9 gm-2 war die oberirdische LE-Biomasse 80 % höher als die mittlere GR ADW_MW1 (110,2 g m-2). F. ovina (FO) erzielte mit 48,4 gm-2 den niedrigsten Wert unter den Gräsern, während innerhalb der kriechenden Gruppe G. hederacea (GH) und T. subterraneum (TS) eine Biomasseentwicklung außerhalb der Topfränder von insgesamt 89,6 gm-2 aufwiesen 23,2 gm-2.

Der Blattflächenindex (LAI, m2 m−2) beim Mähen zeigte die höchsten Werte in LE mit einem LAI-Höchstwert von 12,4 (Tabelle 1). Bei GR zeigte der LAI keine signifikanten Unterschiede und lag bei etwa 1,2. Bezüglich CR wurde der LAI mit 0,2 bzw. 0,8 für T. subterraneum (TS) bzw. G. hederacea (GH) bewertet, während der durch Fotoanalyse geschätzte LAI zwischen 1,3 (D. repens, DR) und 3,6 (T. subterraneum TS) lag. .

Die Evapotranspiration pro Blattflächeneinheit (ETLEAF) war in GR deutlich höher und lag zwischen 7,75 (F. ovina, FO) und 9,22 (Lolium perenne L. cv. Playfast, LP) mm m−2 Tag−1 (Tabelle 1). In absteigender Reihenfolge war ETLEAF bei D. repens am höchsten (DR, 5,46 mm m−2 Tag−1). Ähnliche ETLEAF wurden beim Vergleich einiger LE- und CR-Arten wie M. truncatula (MT, 3,40 mm m−2 Tag−1), M. lupulina (ML, 4,05 mm m−2 Tag−1), G. hederacea (GH) gefunden , 3,68 mm m-2 Tag-1), H. pilosella (HP, 3,86 mm m-2 Tag-1) und T. subterraneum (TS, 2,74 mm m-2 Tag-1). T. michelianum (TM) erzielte mit 1,81 mm m-2 Tag-1 den niedrigsten ETLEAF aller Arten (Tabelle 1).

Die Auftragung des LAI gegenüber dem ET vor dem Mähen ergab eine signifikante quadratische Beziehung (R2 > 0,76) (Abb. 2a), die zur Unterscheidung zweier verschiedener Datenwolken beitrug. Bis zu LAI-Werten von etwa 6 war das Modell linear und hatte am unteren Ende alle GR- und CR-Arten mit Einschluss von M. polymorpha (MP) als Hülsenfrucht, während am anderen Ende M. truncatula (MT) L. corniculatus (LC) und M. lupulina (ML) wurden zusammengefasst. T. michelianum (TM) wurde aus allen CCs bei 22,56 mm Tag-1 isoliert.

Panel (a): Quadratische Regression des Blattflächenindex (LAI, m2 m−2) gegenüber der Evapotranspiration der Zwischenfrucht pro Bodeneinheit (ET, mm Tag−1). Jeder Datenpunkt ist ein Mittelwert ± SE (n = 4). Die quadratische Modellgleichung lautet y = − 0,128x2 + 2,9968x + 5,4716, R2 = 0,76. Panel (b): die quadratische Regression zwischen LAI entsprechend der gekürzten Biomasse (m2 m−2) und der ET-Reduktion der Zwischenfrucht (%). Jeder Datenpunkt ist ein Mittelwert ± SE (n = 4). Die quadratische Modellgleichung lautet y = − 0,8985x2 + 16,503x + 5,1491, R2 = 0,94.

Bei der Regression des Anteils der ET-Reduktion im Vergleich zu den Werten vor dem Mähen im Vergleich zum LAI (Abb. 2b) erreichte das gleiche quadratische Modell eine sehr gute Anpassung (R2 = 0,94, p < 0,01). Die CC-Gruppierung ähnelte den für ET hervorgehobenen Mustern, obwohl bei LAI genauere Vorhersagen erzielt wurden, die zwischen 0 und 3 variierten. Eine lineare ET-Reduktion wurde gezeigt, wenn LAI durch Trimmen entfernt wurde und zwischen 0 und 6 lag, während danach die ET-Reduktion geringer ausfiel als proportional zur Menge des entfernten LAI. Dies legt einen LAI von 5–6 als Richtwert nahe, innerhalb dessen es möglich ist, die Reduzierung des Wasserverbrauchs nach dem Trimmen zu maximieren.

Die Wurzellängendichte (RLD, cm cm-3), die für jeden CC in 0–10 cm und 10–20 cm Tiefe bestimmt wurde, ist in Tabelle 2 dargestellt. Innerhalb der obersten Bodenschicht ist die RLD von Poa pratensis L. cv. Tetris (PP), Festuca rubra L. var. kommutata Gaud. Lebenslauf. Casanova (FRC) und F. arundinacea (FA) erreichten einen Höchstwert von 52,5; 53,7 bzw. 59,0 cm cm-3, während M. polymorpha (MP), M. truncatula (MT), T. subterraneum (TS) und T. michelianum (TM) den Schwellenwert von 10 cm cm-3 nicht erreichten ( Tabelle 2). L. corniculatus (LC) verzeichnete den höchsten RLD (29,7 cm cm−3) bei 0–10 cm unter den LE-Arten, während er sehr nahe bei F. ovina (FO, 30,3 cm cm−3) lag, der den niedrigsten RLD innerhalb hatte die GR-Gruppe. In der CR-Gruppe wurden die höchsten und niedrigsten RLD-Werte innerhalb der obersten Schicht bei G. hederacea (GH) und T. subterraneum (TS) mit 26,9 bzw. 7,4 cm cm-3 gefunden (Tabelle 2). Betrachtet man die Wurzelbesiedlung des Bodenhorizonts von 10–20 cm, behielt F. arundinacea den höchsten RLD (10,7 cm cm–3), gefolgt von L. corniculatus (7,9 cm cm–3). Insgesamt wurde in allen verbleibenden CCs ein sehr niedriger RLD durch diese Schicht aufgezeichnet.

Die höchsten Werte der Durchmesserklassenlänge (DCL, mm cm−3) für sehr feine Wurzeln (DCL_VF, < 0,075 mm) in den ersten 10 cm Boden wurden in GR aufgezeichnet und lagen zwischen 9,75 (F. ovina, FO) und 23,35 ( P. pratensis, PP) cm cm−3 (Tabelle 2). Alle übrigen Arten verzeichneten recht niedrige Werte, die im Bereich von 0–4 cm cm−3 lagen. Ein ähnliches Muster wurde in derselben Bodenschicht für die Feinwurzelklasse (DCL_F, 0,075–0,2 mm) beobachtet, obwohl F. arundinacea (FA) und F. rubra commutata (FRC) die höchsten Werte erzielten (25,74 und 26,10 cm cm−). 3). Bei gleicher Länge der Durchmesserklasse überschritt keiner von LE und CR 9 cm cm-3, mit Ausnahme von G. hederacea, der auf 16,32 cm cm-3 geschätzt wurde.

Ein einheitlicheres Verhalten zwischen den Arten wurde für mittlere (DCL_M, 0,2–1,0 mm) und grobe (DCL_C, > 1,0 mm) Wurzeln festgestellt, obwohl vor allem die Wurzeln von L. corniculatus die höchste Häufigkeit für beide DCL_M (23,08 cm cm−3) aufwiesen ) und DCL_C (0,54 cm cm−3).

Bei einer Bodentiefe von 10–20 cm bestätigte GR die höchsten Werte sowohl für sehr feine als auch für feine Wurzeln, wobei F. arundinacea einen maximalen DCL von 2,269 bzw. 5,215 cm cm-3 erreichte (Tabelle 2). Sowohl beim mittleren als auch beim groben Wurzeldurchmesser (6,173 bzw. 0,037 cm cm-3) übertraf L. corniculatus alle anderen Arten deutlich, gefolgt von F. arundinacea (3,157 bzw. 0,016 cm cm-3).

Das höchste Wurzeltrockengewicht (RDW, mg cm-3) innerhalb der Oberbodenschicht wurde von L. corniculatus (8,7 mg cm-3) und F. arundinacea (7,6 mg cm-3) erreicht. Bemerkenswerterweise waren diese Werte deutlich höher als die der übrigen Arten, mit Ausnahme des Vergleichs zwischen F. arundinacea und F. rubra commutata (Tabelle 2). In einer Tiefe von 10–20 m wurden nur geringe Unterschiede im RDW bei Gräsern festgestellt, wohingegen L. corniculatus bei Hülsenfrüchten die Vormachtstellung innehatte (4,5 mg cm−3). Innerhalb der kriechenden Art erzielten D. repens (DR) und G. hederacea (GH) RDW-Werte, die genauso hoch waren wie die für Grasarten (nämlich F. arundinacea, P. pratensis und F. rubra commutata), während S. subulata ( SS) hatte im Wesentlichen keine Wurzelentwicklung.

Tabelle 3 gibt das proportionale Aggregatgewicht (g kg−1) für Bodentiefen von 0–10 und 10–20 cm an. Im Vergleich zu nacktem Boden erzielte L. corniculatus mit 461 g kg−1 den größten Anstieg an großen Makroaggregaten (LM, > 2000 µm) in den oberen 10 cm des Bodens. L. corniculatus unterschied sich vom Rest der LE-Gruppe, dessen Gesamtmittelwert (90 g kg−1) der niedrigste der drei getesteten Gruppen war. Als Hülsenfrucht verzeichnete T. subterraneum (TS, 122 g kg−1) im Vergleich zu anderen CR-Arten die niedrigsten Werte und lag zwischen 211 (D. repens, DR) und 316 g kg−1 (G. hederacea, GH). GR verzeichnete LM-Werte, die etwas niedriger waren als die von CR, mit einem Mittelwert von 217 vs. 224 g/kg.

Die höchsten kleinen Makroaggregate (sM; 250–2000 µm) in der obersten Bodenschicht wurden im nackten Boden gefunden und ähnlich hohe Werte wurden bei M. polymorpha (MP), M. lupulina (ML) und M. truncatula (MT) gefunden. , während L. perenne (LP) mit 298 g kg−1 die geringste Menge aufwies. Innerhalb der 0–10 cm dicken Bodenschicht erzielte GR den niedrigsten mittleren sM (340 g kg−1), während CR-Arten zwischen 343 (G. hederacea, GH) und 439 (T. subterraneum, TS) g kg−1 lagen. Der gesamte Variationsbereich zwischen den Arten innerhalb der sM-Fraktion bei 0–10 cm betrug 66 % (nackter Boden vs. L. perenne) im Vergleich zu den 707 % Variation (L. corniculatus vs. T. michelianum), die für die LM-Fraktion aufgezeichnet wurden (Tabelle 3). ). Innerhalb der oberen Bodenschicht zeichnet sich T. michelianum (TM) durch die höchsten Werte sowohl für Mikroaggregate (m, 53–250 µm) als auch für Schluff- und Tonfraktionen (s + c, < 53 µm) mit 346 und 173 g kg aus. 1 bzw. Obwohl L. corniculatus zur gleichen Gruppe gehörte, zeigte er das gegenteilige Verhalten und verzeichnete die niedrigsten Werte sowohl für m (163 g kg−1) als auch für s + c (63 g kg−1).

Bei 10–20 cm Bodentiefe übertraf L. corniculatus mit 319 g kg−1 LM erneut alle anderen CCs. Innerhalb von GR konnte eine recht homogene Situation festgestellt werden; Gemessene LM-Fraktionen im Bereich zwischen 65 und 136 g kg-1 zeigten, dass GR die effizienteste Gruppe bei der LM-Produktion in den unteren 10–20 cm Tiefe ist. T. michelianum (TM) ist der einzige, der einen LM-Wert aufweist, der so niedrig ist wie der von nacktem Boden (36 g kg-1).

Innerhalb der 10–20 cm dicken Bodenschicht wurde ein einheitlicheres Verhalten der Arten für sM, m und s + c bei einem Variationsbereich von 64 % (nackter Boden vs. L. corniculatus), 56 % (F. rubra commutata vs L. corniculatus) bzw. 46 % (F. rubra commutata vs. nackter Boden) gegenüber der 811 %igen Variation (L. corniculatus vs. nackter Boden), die für die LM-Fraktion aufgezeichnet wurde (Tabelle 3).

L. corniculatus verzeichnete den höchsten mittleren Gewichtsdurchmesser (MWD, mm) unter allen CCs sowohl in der oberen (2,68 mm) als auch in der unteren (1,98 mm) Bodenschicht (Tabelle 3), während T. michelianum den niedrigsten Rang einnahm (0,92 und 0,74 mm). jeweils). Innerhalb der ersten 10 cm zeigte GR ein homogeneres Muster mit einer MWD-Variabilität von 32 % (F. rubra commutata vs. F. arundinacea), die in CR auf 73 % (T. subterraneum vs. G. hederacea) und in LE auf 226 % anstieg (T. michelianum vs. LC). In ähnlicher Weise wurde in einer Tiefe von 10–20 cm die höchste Variabilität bei LE registriert (167 % für den Vergleich zwischen T. michelianum und L. corniculatus). Im Gegensatz dazu wurde eine geringere Variabilität innerhalb von GR (41 % für FRC vs. L. perenne) und CR (26 % für T. subterraneum vs. G. hederacea) festgestellt.

Die für die Korrelationen zwischen den Aggregatgrößenfraktionen RLD, DCL und RDW berechneten Spearman-Koeffizienten (ρ) sind in Abb. 3 für die Bodentiefen von 0–10 cm (A) und 10–20 cm (B) dargestellt. Für die Oberbodenschicht (Abb. 3a) hatte LM eine enge positive Korrelation mit RLD (ρ = + 0,56), DCL_M (ρ = + 0,69) und RDW (ρ = + 0,62). Umgekehrt korrelierte sM negativ mit den gleichen Durchmesserklassenlängen (ρ = − 0,68, − 0,74 bzw. − 0,65). Insgesamt blieb ein ähnliches Muster für die Tiefe von 10–20 cm erhalten, obwohl die Korrelationen im Allgemeinen weniger eng waren (Abb. 3b).

Spearman-Korrelationen für Unterschiede im Bodenaggregatmuster und in den Wurzelmerkmalen für 0–10 cm (a) und 10–20 cm (b) Bodentiefe. Die blaue Farbe zeigt eine positive Korrelation an, während die rote Farbe eine negative Korrelation anzeigt.

Die durch die Hauptkomponentenanalyse (PCA) (Tabelle S1) für den Datenpool über die 15 CCs berechnete Pearson-Korrelationsmatrix zeigte, dass die Evapotranspiration vor dem Mähen (UMW_ET) nicht mit RLD oder einem DCL korreliert war; Vielmehr wurde eine sehr enge Korrelation (r = 0,96) gegenüber ADW_MW1 gefunden. Im Gegensatz dazu zeigte die 25 Tage nach dem Mähen ausgewertete ET (MW_ET_25) eine signifikante positive Korrelation mit mehreren Wurzelwachstumsvariablen, einschließlich DCL_C, DCL_M, RDW und dem gesamten oberirdischen Trockengewicht (dh der Summe aus erstem und zweitem Schnitt, ADW_TOTAL).

Die Analyse des Bi-Plots (Abb. 4), das die Positionierung jedes CC sowie die Richtung und Größe der Variation jeder Variablen entlang der F1- und F2-Komponenten angibt, ermöglicht eine ziemlich scharfe Trennung der drei Familiengruppen, wenn auch mit einigen innerhalb der Gruppe Ausnahmen.

Hauptkomponentenanalyse für 15 verschiedene Zwischenfruchtarten, unterteilt in Gräser (orange Farbtöne), Hülsenfrüchte (grüne Farbtöne) und Kriechpflanzen (blaue Farbtöne). Rote Linien stellen aktive Variablen dar, wie (i) Evapotranspiration vor (UNMW_ET) und (ii) 25 Tage nach dem Mähen (MW_ET_25), (iii) oberirdische trocken geschnittene Biomasse beim ersten Mähereignis (ADW_MW1) und (iv) Gesamtmenge (ADW_TOTAL). ; (v) Durchmesserklassenlänge für sehr feine (DCL_VF), (vi) feine (DCL_F), (vii) mittlere (DCL_M) (viii) grobe (DCL_C) Wurzeln; (ix) Wurzellängendichte (RLD) und (x) Wurzeltrockengewicht (RDW). Wurzelmerkmale sind Mittelwerte von 0–20 cm Bodentiefe.

Innerhalb von LE isolierte sich L. corniculatus (LC) deutlich von den übrigen Arten. L. corniculatus kombinierte eine starke und positive Korrelation mit RDW, DCL_C und DCL_M entlang der F1-Komponente und mit UMW_ET und ADW_MW1 entlang der F2-Komponente. Umgekehrt hing die Position von M. truncatula (MT), T. michelianum (TM) und M. lupulina (ML) im Biplot von einer engen positiven Korrelation entlang F2 mit UMW_ET und ADW_MW1 ab. M. polymorpha (MP) zeigte ein weiteres deutliches Verhalten, das durch eine starke negative Korrelation mit RDW, DCL_C, DCL_M entlang der F1-Komponente bestimmt wurde.

GR im unteren rechten Quadranten gruppiert, mit Ausnahme von F. ovina (FO). Allerdings war erneut ein unterschiedliches Verhalten zwischen F. arundinacea (FA) und F. ovina (FO) erkennbar, wobei die übrigen Grasarten ein mittleres Verhalten aufwiesen. F. arundinacea zeigte eine enge positive Korrelation mit RLD und RDW entlang F1 und eine negative Korrelation mit DCL_F und DCL_VF entlang F2 (Abb. 4). Umgekehrt weist F. ovina (FO) eine negative Korrelation mit UMW_ET und ADW_MW1 (F2) und, wenn auch in geringerem Ausmaß, mit DCL_M, DCL_C und RDW (F1) auf. Die drei verbleibenden Grasarten (L. perenne, F. rubra commutata und P. pratense) wurden im Wesentlichen in Gruppen zusammengefasst, obwohl ihr Verhalten durch negative Faktorwerte entlang der F2-Hauptkomponenten bestimmt wurde. Diese CCs stellen eine negative Korrelation mit UMW_ET und ADW_MW1 und eine positive Korrelation mit DCL_VF und DCL_F ein.

CR zeigte ein etwas homogeneres Verhalten, obwohl auch G. hederacea (GH) dazu neigte, in der Bi-Plot-Verteilung isoliert zu sein. S. subulata (SS), H. pilosella (HP) und T. subterraneum (TS) reagierten nahezu unempfindlich auf die in F2 dargestellten Variablen, wohingegen ihr Verhalten größtenteils durch eine negative Korrelation mit einigen F1-Variablen bestimmt wurde, nämlich DCL_C. DCL _M und RDW.

Die Ergebnisse der vorliegenden Studie werfen Licht auf eine Schlüsselfrage für den ökologischen Wandel des modernen Weinbaus unter der Bedrohung eines sich ändernden Klimas, nämlich wie und welche CC-Arten auf Feldebene eingesetzt werden sollten, um die Leistung des Agrarökosystems zu verbessern.

Obwohl unser Versuch in Töpfen unter inhärent eingeschränkten Bedingungen und einem gut bewässerten Regime durchgeführt wurde, ermöglicht die detaillierte und reichhaltige Beschaffenheit der gesammelten Daten die Identifizierung geeigneter oder weniger geeigneter CC-Arten. Auch wenn diese CCs hier mit dem Gedanken der weinbaulichen Umsetzung analysiert wurden, können die erzielten Ergebnisse als wertvolle Informationen für die Anwendung in generischen Obstgärten angesehen werden.

In Bezug auf ET zeigten Messungen nach 105 Tagen ungestörten Wachstums sehr hohe Raten (etwa 20 mm pro Tag unter gut bewässerten Bedingungen) bei allen Hülsenfrüchten, mit teilweiser Ausnahme von M. polymorpha (MP). Am Beispiel von LC war die ET bei demselben geschätzten LAI (etwa 5) höher als in Neuseeland42 und erreichte ihren Höhepunkt bei etwa 11 mm Tag−1. Die Gründe für diese Diskrepanz hängen wahrscheinlich mit dem deutlich geringeren Verdunstungsbedarf in ihrem Experiment als in unserem zusammen, da die Lufttemperaturen während der zentralen Stunden 21 °C nicht überstiegen, während unsere Tagestemperatur zwischen 17 und 29 °C lag (Abb. S1). Unter gut bewässerten Bedingungen und abgesehen von der Rolle, die der Verdunstungsbedarf spielt, wird die tägliche ET hauptsächlich von zwei Faktoren bestimmt: der Menge der produzierten Luftbiomasse und dem genetisch bedingten ETLEAF. Unsere Ergebnisse zeigten, dass ein hoher ET der LE-Gruppe hauptsächlich auf eine sehr schnelle Entwicklung nach der Aussaat zurückzuführen war und nicht auf einen höheren ETLEAF, wobei letzterer im Vergleich zum Durchschnittswert in der GR-Gruppe mehr als halbiert war (Tabelle 1).

Während das Mähen bekanntermaßen ein wertvolles Instrument zur Begrenzung des Wasserverbrauchs von CCs33 ist, ist die Verfügbarkeit früherer Ergebnisse, die den Umfang und die Dynamik der Wassereinsparung durch das Grasschneiden quantifizieren, begrenzt. Eine Studie ergab, dass drei Wochen nach dem Schneiden von Medicago sativa L. der tägliche ET etwa 60–70 % des Wertes vor dem Schneiden betrug43. Unser MW_ET_25 bestätigt ein ähnliches Verhalten bei ML, während L. corniculatus (LC) die Vormähraten umgehend vollständig erholte (Abb. 1).

Hier haben wir zum ersten Mal festgestellt, dass die Auftragung von LAI vs. ET-Reduktion für über die 15 Arten gepoolte Daten (Abb. 2b) eine sehr gute Übereinstimmung mit den beobachteten Daten ergab, was darauf hindeutet, dass (i) eine lineare Abnahme der ET zu erwarten ist jederzeit, wenn der LAI durch Trimmbereiche zwischen 0 und 6 entfernt wird; (ii) Ein Sättigungseffekt scheint jenseits dieser Grenze erreicht zu werden, wahrscheinlich weil mit zunehmender Höhe und Dichte des Blätterdachs die unteren Blattschichten stark beschattet werden, wodurch ihr Beitrag zur Transpiration minimiert wird33. Dies hat einige relevante Auswirkungen, wenn eine vorübergehende Winterzwischenfrucht, die normalerweise Hülsenfrüchte enthält, für den Abschluss im Frühjahr im Rahmen einer Gründüngung ausgesät wird. Wenn ein wünschenswertes Merkmal darin besteht, die höchste Biomasse vor der Beendigung zu erhalten, um die N-Rückführung in die Kulturpflanze zu maximieren, führt ein Leguminosenwachstum über einem LAI von 6–7 auf der Grundlage des oben hervorgehobenen Mechanismus nicht zu einem luxuriösen Wasserverbrauch.

Der hohe Wasserverbrauch von L. corniculatus (LC) wurde durch den höchsten RLD in der 10–20 cm dicken Bodenschicht (7,9 cm cm–3) und den höchsten RDW sowohl in der 0–10 cm (8,7 mg cm–3) als auch in der 10–20 cm dicken Bodenschicht bestätigt. 20 cm (4,5 mg cm−3) Tiefe. Unsere Ergebnisse verdeutlichen jedoch auch, dass ein solcher Effekt in erster Linie auf die sehr hohen Werte von DCL_M und DCL_C zurückzuführen ist, die wiederum erklären, warum L. corniculatus (LC) auch in der Lage war, sich in die tiefere Bodenschicht einzugraben. Da berichtet wurde, dass dickere Wurzeln bei der Überwindung von Problemen im Zusammenhang mit dem mechanischen Widerstand des Bodens wirksamer sind44, legen unsere Ergebnisse auch die Bedeutung von L. corniculatus (LC) für die Verbesserung der physischen Bodenqualität nahe, indem sie die Schüttdichte verringern und eine Bodenverdichtung verhindern, selbst bei Bodenbearbeitungsarbeiten sind suspendiert.

Was GR betrifft, so ergänzen unsere Ergebnisse wichtige Erkenntnisse zu früheren Studien45,46,47 und führen zu einem potenziellen Einsatz grasbasierter permanenter Mittelreihen-CCs bei der Bodenbewirtschaftung von Obstgärten. Der vorliegende Versuch deutet darauf hin, dass F. arundinacea (zumindest was die getestete Sorte betrifft) als recht konkurrenzfähiges Gras angesehen werden muss, während sich F. ovina gegenteilig verhält. Das Transpirationspotential von F. arundinacea beruht eher auf einem hohen ETLEAF als auf einer geförderten Luftbiomasse: daher die Fähigkeit zur höheren Lichtabfangfähigkeit (Abb. 1 und Tabelle 1). Dies unterscheidet sich erheblich von dem, was oben über die LE-Gruppe (insbesondere L. corniculatus) berichtet wurde, und deutet auf eine relevante Implikation für die Verwendung auf Feldebene hin: Bei demselben LAI wird jede unserer getesteten GR-Arten wahrscheinlich eine deutlich höhere Menge verwenden Wasser als Hülsenfruchtarten.

Unsere Ergebnisse zu GR ET werden durch die Literatur bestätigt, in der F. arundinacea und F. ovina mit Werten von bis zu 8,5 bzw. 12,6 mm Tag-1 als die am stärksten bzw. am wenigsten konkurrenzfähigen Gräser eingestuft werden45,48. Darüber hinaus zeigte eine Studie46 den bestehenden Unterschied zwischen F. arundinacea-Sorten, die unter nicht limitierenden Wassernährstoffbedingungen angebaut wurden und deren ET-Raten zwischen 10 und 13,5 mm Tag-1 lagen, was perfekt zu unseren Daten passt. Eingabe unserer gemähten F. arundinacea-Werte (161,8 g m-2) in ein ET-Reduktionsmodell gegenüber trocken geschnittener Biomasse, das auf Festuca arundinacea var. Barfelix33 führt zu einer ET-Reduktion um 36 %, was der 35-prozentigen Reduktion bei einem LAI von 1,52 sehr nahe kommt (Tabelle 1 und Abb. 2b).

Während L. corniculatus (LC) und F. arundinacea (FA) die Fähigkeit teilen, ihre Wurzeln in die tiefere Bodenschicht auszubreiten, ergab unsere PCA-Analyse, dass die DCL-Werte für jeden Wurzeldurchmesser – also auch für sehr feine und feine Wurzeln – unter F. arundinacea in der 10–20 cm dicken Bodenschicht waren um ein Vielfaches höher als unter anderen Gräsern. Es ist allgemein anerkannt, dass ein gut etabliertes und entwickeltes Wurzelsystem für die effiziente Wasseraufnahme unerlässlich ist49. Daher deuten unsere Ergebnisse zu DCL darauf hin, dass F. arundinacea auch die Aufnahme von Nährstoffen und Wasser weiter verbessern kann, indem es die Wurzelhaaroberfläche auch in den unteren Bodenschichten vergrößert.

Alle getesteten GR-Arten behielten trotz großer Unterschiede in den Wurzelwachstumsparametern hohe und ähnliche ETLEAF-Werte bei. Eine Erklärung für ein solches Verhalten findet sich in den ET-Raten, die auf Pot-Basis angegeben werden (Abb. S2). Es ist ziemlich auffällig, dass bei jedem GR der tägliche Topf-ET innerhalb von 60 % der täglichen Wasserversorgung blieb (1,0–1,1 l pro Topf). Vermutlich ermöglichte dies eine optimale Blattfunktion, was erklärt, warum sich ETLEAF nicht unterschied. Folglich wird der Gesamtwasserverbrauch in unserem getesteten GR bei anhaltender, nicht einschränkender Bodenwasserverfügbarkeit zu einer Hauptfunktion des LAI (Abb. 2b).

FO bestätigt seine Einstellung zu niedrigem ET aufgrund seiner „Zwerg“-Eigenschaften. Ein sehr niedriger ADW_MW1 (Tabelle 1), verbunden mit einem flachen Wurzelsystem mit minimaler Bodenbesiedlung unter 10 cm Tiefe, macht diesen CC zu einem recht interessanten Kandidaten für eine dauerhafte Einrichtung zwischen den Reihen. Laut PCA-Analyse wurde F. ovina (FO) isoliert und weist eine negative Korrelation mit ADW_MW1 und UMW_ET auf. Im Idealfall könnte das flache Wurzelsystem im Freiland eine vorübergehende und teilweise Austrocknung im Sommer begünstigen, mit einer sofortigen Erholung bei eingehenden Niederschlägen im Herbst.

Im Hinblick auf die Streifenbewirtschaftung unter den Rebstöcken wurde viel Arbeit geleistet, um zu untersuchen, wie sich die Aussaat einheimischer Reben im Vergleich zur Aussaat kommerzieller Mischungen auf den Grad der Konkurrenz zum Wurzelsystem der verbundenen Rebstöcke (die im Wesentlichen innerhalb des gleichen Bodenvolumens bestehen) auswirken könnte Auswirkungen auf die RLD und Wurzelverteilung50. Mehrere Autoren haben herausgefunden, dass die von einem CC eroberte Oberbodenschicht das Wurzelsystem der Weinrebe dazu veranlasst, tiefere Bodenhorizonte zu erkunden oder sich bevorzugt seitlich von der Reihenachse auszubreiten50,51,52. Zuvor durchgeführte Untersuchungen53 zeigten, dass gut etablierte Weinreben mit F. rubra-Gras im Unterwuchs eine tiefere Wurzelverteilung aufwiesen und leichte Anzeichen einer eingeschränkten Wasseraufnahme zeigten. Lediglich bei einer Bodentiefe von 10 cm war der O 18O-Isotopenabbau (δ18O, ‰) im Boden mit CC deutlich negativer als im Boden mit Ackerboden, darunter gab es jedoch keinen signifikanten Behandlungseffekt.

Vorläufige Arbeiten, die in Frankreich40,41 durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Anlage flachwurzelnder, aber dennoch kriechender und erstickender CCs unter dem Reihenstreifen recht erfolgreich bei der Unkrautbekämpfung sein kann, wodurch der Bedarf an Bodenbearbeitung oder Herbiziden verringert wird. Gleichzeitig wächst das Wurzelsystem der Weinrebe unter dem CC, wo wahrscheinlich eine höhere Bodenfeuchtigkeit verfügbar ist. Die Bewirtschaftung solcher CCs bedeutet, dass nicht gemäht wird, bis die Abdeckung herauswächst und dazu neigt, in die Gasse einzudringen. Deshalb haben wir in unserem Versuch jeglichen Schnitt zur Verkürzung des Baldachins vermieden, bis der Deckel anfing, über die Topfoberfläche hinauszuragen. Einen solchen Status erreichten nur G. hederacea (GH) und T. subterraneum (TS). Der in Abb. 1 angegebene ET stützte nachdrücklich die Annahme, dass alle CR-Arten gute wassersparende Eigenschaften behalten, und bei drei von ihnen (DR, HP und SS) waren die ET-Raten vor dem Mähen etwas niedriger als die bei der Kontrolle gemessenen und weniger als Es wurden 400 g H20 Topf-1 Tag-1 verwendet (Abb. S2). Trotz des tatsächlichen Ausbleibens des Mähens zeigten die Daten dieser Arten 17 und 25 Tage nach dem Mähen einen leichten Anstieg der ET-Raten, der naturgemäß auf eine wahrscheinliche Verdickung des CC innerhalb der Topfoberfläche zurückzuführen ist. Das zweite Merkmal, das ebenfalls allen CR gemeinsam war, war, dass die Wurzelbesiedlung im Wesentlichen nur auf die oberste Bodenschicht beschränkt war (Tabelle 2), wodurch der Notwendigkeit entsprochen wurde, unter Feldbedingungen zwei gut getrennte Bodenschichten zu haben, einschließlich der Graswurzeln oben und Traubenwurzeln in größeren Tiefen.

In unserer Studie wurde eine sorgfältige Bewertung der Auswirkungen von CCs auf die Stabilität der Bodenaggregate und die MWD durchgeführt und mit Wurzelmerkmalen in Verbindung gebracht. Es ist bekannt, dass die Größe und Stabilität von Bodenaggregaten aufgrund einer verbesserten Porengrößenverteilung positiv mit der Infiltration (und Speicherung) von Wasser und der Minderung der Bodenerosion verbunden ist54. Darüber hinaus spielt LM eine wichtige Rolle bei der Erhöhung der SOM-Konzentration und -Stabilisierung55 und erhöht so die Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit für die Kulturpflanzen weiter. Tatsächlich ist bekannt, dass Makroaggregate SOM physikalischen Schutz bieten, indem sie organische Verbindungen an Bodenmineralien binden und eine Barriere zwischen Mikroorganismen und ihrem Substrat bilden56. Da mediterrane Weinberge normalerweise an steilen Hängen angelegt werden57, zeigt unsere Studie, dass ausgewählte CCs als vielversprechendes Instrument zur Förderung der Bodenaggregation angesehen werden können, was auf eine erhöhte Wasserinfiltration sowie eine geringere Bodenerosion und Nährstoffverluste schließen lässt58. Da die Verdunstung von Bodenwasser hauptsächlich durch den Wassergehalt, die organische Substanz, die Beschaffenheit und die Struktur des Bodens beeinflusst wird59, ist es vernünftig anzunehmen, dass CCs je nach Artenmerkmalen in unterschiedlichem Ausmaß zu deren Veränderung beitragen können. Allerdings konnten in unserem Versuch die Evapotranspirationskomponenten (d. h. Verdunstung und Transpiration) nicht unterschieden werden, und der unterschiedliche Effekt der durch Zwischenfrüchte induzierten Bodenaggregation auf die Bodenverdunstung war schwer zu beurteilen, da Wasserverlustmessungen einige Monate vor der Bodenprobenahme durchgeführt wurden und die folgenden Gesamtbestimmungen. Generell scheinen nur wenige Informationen verfügbar zu sein: Es wurde angenommen, dass eine erhöhte Aggregatstabilisierung die für Pflanzen im Boden verfügbare Wassermenge erhöht, indem Verluste durch Verdunstung reduziert werden60, wohingegen eine neuere Arbeit keinen signifikanten Einfluss der Bodenpartikelgröße auf die Verdunstungsrate gezeigt hat61.

Unsere Ergebnisse zeigen auch eine positive Korrelation zwischen großen Makroaggregaten und Wurzelentwicklungsparametern wie RLD und RDW, was darauf hindeutet, dass Wurzeln die Haupttreiber der Bodenaggregatbildung und -stabilisierung in diesem System sind. Tatsächlich ist bekannt, dass Wurzeln Schleim und andere Exsudate produzieren, die Partikel zusammenhalten und so die LM-Bildung fördern62. Ähnliche Ergebnisse wurden in früheren Studien berichtet63,64,65, in denen eine positive Korrelation zwischen Wurzelbiomasse/-längendichte und Aggregatstabilität beobachtet wurde. Daher sollten CCs mit hohem RLD und RDW vorgeschlagen werden, um die Aggregatstabilisierung zu fördern, den Schutz vor organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden und die Wasserinfiltration/-retention zu erhöhen.

In unserer Studie erhöhte GR im Allgemeinen RLD und RDW im Vergleich zu LE- und CR-Pflanzen, mit Ausnahme von L. corniculatus und G. hederacea. Insbesondere F. arundinacea zeigte den höchsten RLD (59,0 cm cm-3) aller Arten und einen der höchsten LM-Gehalte (251 g kg-1 Boden) in der 0–10 cm dicken Bodenschicht, was die positive Wechselwirkung zwischen ihnen bestätigt RLD- und LM-Stabilisierung. Unter den Leguminosen wies L. corniculatus die höchste Menge an LM in beiden Bodenschichten auf und erwies sich als vielversprechendes CC zur Verbesserung der Bodenstruktur, während es aufgrund der N-Fixierung gleichzeitig eine externe N-Quelle darstellte. Dies kann durch die höhere DCL (Ø > 1,0 mm) von L. corniculatus im Vergleich zu anderen Arten erklärt werden, was auf die wichtige Rolle großer Wurzeln bei der Bodenaggregation hinweist. Es wurde berichtet, dass L. corniculatus im Vergleich zu anderen Hülsenfrüchten einen starken Einfluss auf die Bodenfestigkeit hat, wenn er in Monokulturen angebaut wird. Interessanterweise hatte H. pilosella im Vergleich zu den meisten anderen Arten eine höhere LM, während RLD und RDW niedriger waren. Frühere Studien berichteten von einem niedrigeren pH-Wert des Bodens unter H. pilosella als unter anderen Pflanzen66,67, was wiederum negativ mit wasserstabilen Aggregaten korreliert68. Die Autoren erklärten die negative Korrelation zwischen dem pH-Anstieg und dem Bodenaggregationsgrad durch die höhere Beladung der Mineraloberflächen mit Huminsäuren und durch eine Abnahme der elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen negativ geladenen Substanzen unter sauren Bodenbedingungen, was zu einer stärkeren Koagulation organischer Stoffe führte und mineralische Partikel. Daher hängt die Auswirkung auf die Bodenaggregation bei H. pilosella eher mit Veränderungen der chemischen Eigenschaften des Bodens als mit Wurzeleigenschaften zusammen.

Der aktuelle Topfversuch ist unseres Wissens nach der erste Fall eines vergleichenden Screenings zur Bewertung des Wasserverbrauchs, der Wurzelcharakterisierung und des Bodenaggregationspotenzials einer großen Anzahl von krautigen Arten und zur Definition der am meisten empfohlenen Arten für die Verwendung im Weinberg . Die höchsten ET-Raten bei Hülsenfrüchten waren hauptsächlich auf eine sehr schnelle Entwicklung nach der Aussaat zurückzuführen und nicht auf einen höheren ETLEAF. Sowohl für Hülsenfrüchte als auch für Gräser wurde bestätigt, dass das Mähen jederzeit eine wertvolle Methode ist, um den Wasserverbrauch proportional zu begrenzen, bis ein LAI von 5–6 erreicht ist, während ein Sättigungseffekt jenseits dieser Grenze erreicht zu sein scheint. Unter den Gräsern wurde F. ovina als dasjenige mit dem niedrigsten ET bewertet, was es zu einem interessanten Kandidaten als dauerhaften lebenden Mulch zwischen den Reihen macht. Darüber hinaus könnte das flache Wurzelsystem nach dem Einsatz im Feld im Idealfall eine vorübergehende und teilweise Austrocknung im Sommer ermöglichen und bei einsetzendem Regen im Herbst eine sofortige Erholung bewirken. CR bestätigte ihr Potenzial für die Streifenbewirtschaftung unter Spalieren, da sie zwar eine vollständige Bodenbedeckung aufrechterhielten (d. h. potenziell erfolgreich bei der Unkrautbekämpfung), aber kein Mähen zur Höhenreduzierung benötigten, niedrige Wasserverbrauchsraten verzeichneten und eine oberflächliche Bedeckung (d. h. 0–10 %) aufwiesen cm) Wurzelbesiedlung. Schließlich zeigte unsere Studie, dass CCs mit erhöhtem RLD und RDW wie GR, G. hederacea und L. corniculatus als vielversprechende Arten angesehen werden können, um die Bodenaggregation zu steigern, den SOC-Schutz und die Wasserinfiltration zu erhöhen sowie Bodenerosion und Nährstoffverluste zu reduzieren.

Die Studie wurde 2020 am Department of Sustainable Crop Production der Università Cattolica del Sacro Cuore (Piacenza, Norditalien, 45°2' N; 09°42' E) an 64 Töpfen mit 15 L Volumen (0,27 m tief, mit einem Innendurchmesser von 0,27 m), die im Freien in einer Topfparzelle gehalten wird. Die Töpfe wurden mit Ton-Lehm-Erde mit 35 % Sand, 36 % Schluff und 29 % Ton gefüllt. Die Feldkapazität, der permanente Welkepunkt und die Bodendichte wurden auf 32,8 %, 18,7 % bzw. 1,42 g cm-3 geschätzt69.

Das Experiment wurde als randomisiertes vollständiges Blockdesign (RCBD) mit vier Wiederholungen und sechzehn Behandlungen angelegt: einer Kontrolle (dh nackter Boden) und fünfzehn CCs, die in drei Gruppen getestet wurden: (i) Gräser, (ii) Hülsenfrüchte und (iii) Kriechpflanzen (Tabelle S2).

Die Aussaatmenge der CCs wurde anhand eines früheren Keimungstests (Tabelle S2) berechnet und alle CCs wurden am 20. April 2020 manuell ausgesät. Als die ersten Messungen durchgeführt wurden, hatten sie alle eine 100-prozentige Bodenbedeckung und es wurde kein Unkrautwachstum festgestellt. Um die Etablierung der Pflanzen zu unterstützen und ein Wasserdefizit zu vermeiden, wurde jeder Topf während des gesamten Versuchszeitraums dreimal täglich mit 350 ml Wasser (dh 55 % des gesamten verfügbaren Wassers) über einen automatischen Einzeltropfer versorgt. Die automatische Bewässerung wurde einen Tag vor den ET-Messungen gestoppt und die genaue Menge von 1 l Topf-1 wurde manuell gegeben.

Während der Versuchssaison bestand das Topfmanagement aus zwei Mähvorgängen und zwei Bodenbearbeitungsvorgängen. Am 6. Juli und 20. September 2020 wurden Gräser und Hülsenfrüchte von Hand bis auf eine Höhe von ca. 4 cm über der Bodenoberfläche gemäht, während Kriechpflanzen nur beschnitten wurden, da es sich um die Luftbiomasse handelt, die über die Topfränder hinausragt, da sie nicht in der Höhe beschnitten werden sollten unter Freilandbedingungen. An den gleichen Tagen erfolgte eine leichte Bodenbearbeitung (ca. 3 cm Tiefe) in den blanken Erdtöpfen mit einem Dreizinkenrechen.

Die ET-Messung der CCs erfolgte mit einer gravimetrischen Methode, da an jedem Messtermin alle Töpfe um 8 Uhr und 19 Uhr mit einer elektronischen Waage mit einer Auflösung von 0,01 g gewogen wurden. Der tägliche CC ET (mm d-1) wurde als ΔW/S berechnet, wobei ΔW die Änderung der Topfmasse zwischen den beiden Tagesgewichten und S die Oberfläche des Topfes ist33. Die gemessenen ET-Raten wurden dann bei Bedarf auf pro Quadratmeter entfernte Blattfläche (ETLEAF) bezogen. Die tägliche maximale, mittlere und minimale Lufttemperatur (°C) sowie der tägliche Niederschlag (mm) wurden während des gesamten Experiments überwacht und Daten wurden von einer automatischen Wetterstation gesammelt, die neben dem Versuchstopfgrundstück positioniert war (Abb. S1).

Am 6. Juli und 20. September 2020 wurde die handgeschnittene Biomasse gesammelt und bis zur Gewichtskonstanz in einen belüfteten Ofen bei 105 °C gegeben und dann das oberirdische Trockengewicht beim ersten (ADW_MW1) und zweiten (ADW_MW2) Mähen gemessen. Das gesamte oberirdische Trockengewicht (ADW_TOTAL) wurde als Summe der beiden Schnitte berechnet.

Vor dem Mähen wurde die oberirdische frische Biomasse von 20 Pflanzen aus jedem getesteten CC (d. h. fünf Pflanzen pro Topf) beprobt und die entsprechende Blattfläche mithilfe der Bildanalysesoftware Image J (National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA) gemessen. USA)70. Die entnommene Biomasse wurde dann in einem belüfteten Ofen bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Der LAI der Deckfrucht am ersten Tag der ET-Messung wurde anhand des ADW_MW1 in der Blattfläche mit linearer Regression im Vergleich zur linearen Regression des Trockengewichts geschätzt, die für alle getesteten CC erhalten wurde (Tabelle S3).

Da die oberirdische Biomasse ausschließlich beim Überschreiten der Topfgrenzen abgeschnitten wurde, wurde der LAI allein für CR durch eine Fotoanalyse des Topfes geschätzt. Die Gesamtzahl der Blätter pro Topf wurde auf den Fotoabzügen gezählt (obwohl der Oberflächentopf vollständig bedeckt war, waren die Blätter deutlich sichtbar, da nur wenige Überlappungen auftraten) und mit der mittleren CC-Blattfläche (bekannt aus der oben erwähnten Blattprobenahme) multipliziert.

Die Wurzelprobenahme wurde am 29. September mit einem selbst konstruierten „Shelby“-Röhrenprobenehmer mit bekanntem Volumen (6,88 cm Durchmesser und 23,2 cm Länge) durchgeführt, der bis zu einer Tiefe von 0,2 m in den Boden eingeführt wurde. Für jeden Topf wurden Bodenproben an einer Zwischenposition zwischen den Rändern und der Mitte des Topfes entnommen. Jeder Bodenkern wurde in zwei Schichten unterteilt: 0–10 cm und 10–20 cm Bodentiefe. Am Ende des Versuchs, am 4. Februar 2021, wurden dann zwei weitere Proben pro Topf mit einem röhrenförmigen Bodenprobenehmer (2,5 cm Durchmesser) zur Analyse der Aggregatstabilität entnommen. Die Einstreu (falls vorhanden) wurde entfernt und jeder Bodenkern wurde in Tiefen von 0–10 und 10–20 cm unterteilt. Bodenproben wurden durch sanftes Brechen71 durch ein 8-mm-Sieb gegeben, an der Luft getrocknet und für nachfolgende Bestimmungen bei Raumtemperatur gelagert.

Die Bodenkerne wurden bis zur Wurzeltrennung und Analyse bei –20 °C gelagert. Nach dem Auftauen wurden die Proben 2 Stunden lang in einer Oxalsäurelösung (2 %) aufbewahrt, um die Trennung der Wurzeln vom Boden zu erleichtern72. Anschließend wurden Bodenproben gewaschen und gereinigt. Die Wurzeln wurden mit einem 2-mm-Sieb72 aus dem Wasser gewonnen. Abschließend wurden die Wurzeln von Hand von organischen Partikeln gereinigt, in 10 % (v/v) Ethanollösung getaucht73 und bei + 4 °C gelagert. Zum Scannen wurden die Wurzeln auf eine transparente Kunststoffschale gelegt. In die Schale wurde destilliertes Wasser gegeben, um die Anordnung der Wurzeln zu erleichtern und Überlappungen zu minimieren.

Die Bilder der Wurzeln wurden mit einem Scanner (Epson Expression 10000xl, 600 dpi) aufgenommen, der mit einer doppelten Lichtquelle ausgestattet war, um Wurzelüberlappungen zu vermeiden74. Zur Bestimmung des RLD (cm cm-3) und des Wurzeldurchmessers (RD, mm) wurde die Software WinRHIZO Reg 2012 (Regent Instrument Inc., Quebec, Kanada) verwendet. Der RLD innerhalb jeder Durchmesserklasse – nämlich der DCL (mm cm-3) – wurde für sehr fein (DCL_VF, < 0,075 mm), fein (DCL_F, 0,075–0,2 mm), mittel (DCL_M, 0,2–1,0 mm) und grob berechnet (DCL_C, > 1,0 mm) Wurzeln, angepasst von Reinhardt und Miller75. Darüber hinaus wurde der RDW (mg cm-3) gravimetrisch bestimmt, nachdem die Wurzeln in einem belüfteten Ofen bei 60 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet wurden.

Teilproben von 80 g wurden 5 Minuten lang in entionisiertes Wasser getaucht und nass gesiebt. Zur Trennung der vier Aggregatfraktionen wurden drei Siebe mit Maschenweiten von 2000 µm, 250 µm und 53 µm verwendet: LM (> 2000 µm), sM (250–2000 µm), m (53–250 µm) und s + c (< 53 µm). Jede Fraktion wurde isoliert, indem das Sieb 50 Mal manuell auf und ab bewegt wurde. Nach jeder Phase wurden die oben auf dem Sieb verbliebenen Bodenaggregate auf eine Aluminiumpfanne überführt, bei 105 °C im Ofen getrocknet und gewogen. Wasser und Erde, die durch das Sieb strömten, wurden auf die kleinere Siebmasche gegossen, wodurch die nächste Phase (Nasssiebung) eingeleitet wurde. Alle Fraktionen wurden hinsichtlich des Sandgehalts korrigiert und die MWD wurde nach van Bavel76 wie folgt berechnet:

Dabei ist \({x}_{i}\) der mittlere Durchmesser jeder durch Siebung getrennten Aggregatgrößenfraktion und \({w}_{i}\) der Anteil jeder sandfreien Aggregatgrößenfraktion aus dem gesamten Probengewicht.

Alle Daten wurden einer einseitigen Varianzanalyse (ANOVA) unter Verwendung von IBM SPSS Statistics 27 (SPSS Inc., Chicago, USA) unterzogen. Im Falle einer Signifikanz des Fisher-Tests wurde die Mittelwerttrennung mithilfe des Student-Newman-Keuls-Tests (SNK) durchgeführt (p < 0,05).

Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde außerdem an 10 repräsentativen Variablen des unter- und oberirdischen Wachstums (RLD, DCL_VF, DCL_F, DCL_M, DCL_C, RDW, ADW_MW1 und ADW_TOTAL) und des Wasserverbrauchs (UMW_ET und MW_ET_25) durchgeführt Statistikpaket XLSTAT (Addinsoft, New York, NY, USA). Die gewählte PCA war eine Pearson-Korrelationsmatrix. Die Anzahl der Filterfaktoren wurde auf 5 festgelegt und die endgültige Datenvisualisierung erfolgte in Form eines Distanz-Biplots.

Eine Korrelationsanalyse wurde separat für die beiden betrachteten Bodentiefen (0–10 und 10–20 cm) durchgeführt, um die Beziehung zwischen Wurzelmerkmalen (RLD, DCL_VF, DCL_F, DCL_M, DCL_C, RDW) und Aggregatgrößenanteilen (LM, sM) zu bewerten , m, s + c, MWD) unter Verwendung des nichtparametrischen Spearman-Rangkoeffizienten (ρ). Ein p-Wert von 0,05 wurde für den Test als signifikant angesehen. Wir haben R 4.0.3.77 mit dem Paket factoextra78 für die Rangkorrelationen nach Spearman verwendet.

Experimentelle Forschung und Topfstudien an den Kulturpflanzen, einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterial, über die hier berichtet wird, entsprechen den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Darüber hinaus erfolgte die Sammlung von Pflanzenproben im Einklang mit den entsprechenden Genehmigungen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Abteilung für nachhaltigen Pflanzenbau, Katholische Universität vom Heiligen Herzen, Via Emilia Parmense 84, 29122, Piacenza, Italien

Caterina Capri, Matteo Gatti, Andrea Fiorini, Federico Ardenti, Vincenzo Tabaglio und Stefano Poni

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CC, MG und SP initiierten die Forschung, das experimentelle Design und richteten das Feldexperiment ein. CC sammelte die experimentellen Daten und führte zusammen mit AF und FA die Datenanalyse durch. CC, SP und AF haben das Manuskript geschrieben. SP, MG, VT, AF, FA und CC überprüften, überarbeiteten und finalisierten das Manuskript.

Korrespondenz mit Caterina Capri.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Capri, C., Gatti, M., Fiorini, A. et al. Eine vergleichende Studie von fünfzehn Zwischenfruchtarten für die Bodenbewirtschaftung von Obstgärten: Wasseraufnahme, Wurzeldichtemerkmale und Bodenaggregatstabilität. Sci Rep 13, 721 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27915-7

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Eingegangen: 10. August 2022

Angenommen: 10. Januar 2023

Veröffentlicht: 13. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27915-7

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