Effects of seed density, tillage system and experimental design on the yield of pea-oat intercrops

In einem zweijährigen Feldversuch (2002/2003) auf einem Auenlehm bei Göttingen wurden verschiedene Aussaatstärken von Erbse und Hafer in Reinsaat und Gemenge auf gepflügten und reduziert bearbeiteten Flächen untersucht. Innerhalb der 16 unterschiedlichen Gemengezusammensetzungen waren zwei verschiedene Verdrängungsserien des substitutiven Anbaumusters enthalten, während alle untersuchten Gemenge dem Response Surface -Anbaumuster zugeordnet werden konnten.In beiden Versuchsjahren konnten Ertragsvorteile der Gemenge gegenüber den Reinsaaten festgestellt werden. Dabei zeigte sich deutlich, dass Gemenge mit Aussaatstärken oberhalb der empfohlenen Reinsaatdichten die größten Ertragsvorteile aufwiesen. Dies bedeutet, dass Erbse und Hafer nicht um dieselben Ressourcen konkurrierten und im Gemenge die vorhandenen Ressourcen daher besser ausgenutzt werden konnten als in den Reinsaaten. Die Aussaatstärke der Erbse im Gemenge zur Erreichung maximaler Kornerträge lag bei 87,5-100% der empfohlenen Reinsaatstärke (70-80 Samen m-2). Für Hafer variierte die optimale Aussaatstärke im Gemenge je nach Nmin-Angebot im Boden: bei niedrigeren Nmin-Gehalten konnte der Hafer in höheren Dichten (150-300 Körner m-2) als bei höheren Nmin-Gehalten (75-150 Körner m-2) ausgesät werden. Da für den Korn-N-Ertrag im Erntegut des Gemenges in erster Linie die Erbse verantwortlich ist, konnte zur Erreichung maximaler Korn-N-Erträge die Haferaussaatstärke sogar noch weiter zurückgenommen werden (38-75 Körner m-2), während die optimale Aussaatstärke der Erbse hier weiterhin bei 100% der empfohlenen Reinsaatstärke zu finden war. Je höher die Aussaatstärke der Erbse im Gemenge, umso höher war auch die absolute N2-Fixierleistung. Trotzdem hinterließen die Gemenge mit hohen Erbsenaussaatstärken vergleichbar geringe residuale Nmin-Mengen im Boden wie die Hafer-Reinsaaten, so dass durch den Gemengeanbau auch bei hohen Erbsenaussaatstärken die Gefahr der N-Auswaschung gegenüber den Erbsen-Reinsaaten signifikant gesenkt werden konnte. Die Erbse im Gemenge war in der Lage, die reduzierte N-Aufnahme des Hafers bei geringen Haferaussaatstärken in den oberen Bodenschichten zu kompensieren, während der Hafer im Gemenge sehr wahrscheinlich verstärkt die unteren Bodenschichten abreicherte und so zusätzlich die N-Auswaschungsgefahr verringerte. Die ertragreichsten Gemenge können somit auch unter Berücksichtigung der Gefahr von N-Auswaschungen im Herbst empfohlen werden.Die Bodenbearbeitung hatte kaum Einfluss auf die Erträge und das Konkurrenzgeschehen in den Erbsen-Hafer-Gemengen. Entgegen den Erwartungen wurde auch die N2-Fixierung der Erbse durch die reduzierte Bodenbearbeitung nicht gesteigert. Dies ist auf ähnlich hohe Nmin-Gehalte und N-Mineralisation im Boden bei den beiden Bodenbearbeitungsvarianten zurückzuführen. Im Gemenge wies die Erbse in der Pflugvariante sogar höhere N2-Fixierleistungen als in der reduziert bearbeiteten Variante auf. Nicht untersuchte Bodeneigenschaften, wie z.B. eine geringere Bodendichte, könnten hier zu verbesserten Konkurrenzbedingungen und N2-Fixierleistungen der Pflugvariante gegenüber der reduziert bearbeiteten Variante geführt haben.Beide Anbaumuster zeigten gute Anwendbarkeit in Feldversuchen und ließen Rückschlüsse hinsichtlich Konkurrenzgeschehen, Ressourcenkomplementarität und optimaler Aussaatstärken im Gemenge zu. Das Response Surface -Anbaumuster zeigte gegenüber dem substitutiven Anbaumuster jedoch den Vorteil, dass es eine Trennung von intra- und interspezifischer Konkurrenz und somit wertvolle Einblicke in das Konkurrenzgeschehen im Erbsen-Hafer-Gemenge ermöglichte. Außerdem ist das Response Surface -Anbaumuster unabhängig von Reinsaaten und Gesamtdichten im Gemenge, so dass die tatsächliche Anzahl Pflanzen pro m2 anstatt von angestrebten Pflanzen pro m2 in die Berechnungen einfließen konnte und der unbefriedigende Feldaufgang so nicht zu einer Beeinträchtigung der Ergebnisse führte. Die für das substitutive Anbaumuster ermittelten RYT-Werte zeigten sich nur bedingt aussagekräftig, da sie dichteabhängig sind und somit niedrige Werte z.B. durch zu niedrig gewählte Gesamtdichten entstehen können. Die für das Response Surface -Anbaumuster ermittelten NDI-Werte konnten aufgrund kaum vorhandener Vergleichswerte in der Literatur schwer eingeordnet werden. Für beide Anbaumuster können optimale Gemengezusammensetzungen nur innerhalb des überprüften Dichtebereichs festgestellt werden. Darum ist für die Auswahl der zu überprüfenden Aussaatstärken bei der Planung von Feldversuchen nach beiden Anbaumustern die Kenntnis der ungefähren Höhe der optimalen Aussaatstärken im Gemenge von großer Bedeutung. Die vorliegende Untersuchung zeigt, dass der erhöhte Versuchsaufwand bei dem Response Surface -Anbaumuster durch den Verzicht auf Reinsaaten reduziert werden kann. Beim substitutiven Anbaumuster dagegen ist eine Erhöhung des Versuchsaufwands, nämlich eine Überprüfung mehrerer Gesamtdichten sowie verschiedener Gemengezusammensetzungen innerhalb einer Verdrängungsserie empfehlenswert. Zusätzlich sollte hier auf identische Wachstumsbedingungen der Kulturen in Reinsaat und Gemenge geachtet werden.In a two-year field experiment (2002/2003) on a loess soil near Göttingen, pea and oat were grown as sole and intercrops at a range of densities. The trial was carried out under conventional and reduced tillage system. Within the 16 examined pea-oat intercrops which followed the response surface design, two different replacement series arose.In both years, advantages of the intercrops over sole crops could be measured. Thereby, highest yield advantages were found for intercrops with densities above the recommended sole crop densities. This shows that pea and oat were not competing for exactly the same resources and that intercrops used resources more efficiently than sole crops. To reach maximal grain yields, optimal seed density was 87.5-100% of recommended sole crop density (70-80 pea seeds m-2). Optimal seed density of oat varied depending on soil-N content: at low Nmin values oat could be sown with higher densities (150-300 seeds m-2) than at high Nmin values (75-150 seeds m-2). As pea is responsible for reaching high grain-N yields in intercrops in the first place, optimal oat density for high grain-N yields could be reduced even further (38-75 seeds m-2), while optimal pea density was still 100% of recommended sole crop density. The higher the pea density in the intercrops, the higher was the amount of N fixed from atmosphere. However, intercrops with high pea densities showed similar low residual Nmin values as sole cropped oat, so that intercropping significantly reduced the risk of N losses after harvest compared to sole cropped pea. Intercropped pea at high densities fully compensated for the lower Nmin uptake of oat at lower oat densities. Intercropped oat was possibly forced to take up more soil N from deeper soil layers and therefore additionally reduced the risk of soil N losses through leaching from deeper soil layers. So even when taking the risk of soil N losses into account, highest yielding intercrops could be recommended.Tillage systems hardly influenced yields and competition processes in pea-oat intercrops. Contrary to expectations, N uptake from atmosphere by pea was not increased in the reduced tillage system. This can be traced back to similar Nmin values and N mineralization in the soil under both tillage systems. Intercropped pea under reduced tillage showed even higher N2 fixation compared with conventional tillage. Soil parameters such as e.g. bulk density could have led to a higher competitive ability and N2 fixation of intercropped pea under conventional tillage.Both experimental designs were suited for the use in field experiments and enabled statements about competition processes, resource complementarity and optimal intercropping densities. The response surface design showed the advantage of being able to separate intra and interspecific competition and therefore enabled valuable insights in the competition processes of pea-oat intercrops. Additionally, the response surface design was unaffected by insufficient field emergences, as due to its lack of dependence on sole crops and total densities numbers of plants m-2 instead of seeds m-2 can be used for the evaluation. Due to their density dependence, the determined RYT values had to be interpreted with caution. Low RYT values e.g. emerged from low total densities. Interpretations of the NDI values for the response surface design were difficult as reference values are hardly available. Both experimental designs were only able to find optimal densities within the examined range of densities. Therefore for both experimental designs, knowledge about the approximate scale of the optimal densities of the intercrops is of high importance when planning field experiments. The present experiment was able to show that ex-perimental effort for the response surface design could be reduced, as sole crops could be omitted. However, when using the replacement series design, an investigation of different replacement series as well as different densities within a replacement series can be recommended. It is also very important to consider identical growth conditions for the species in sole and intercrops