Performance of organic and conventional crop varieties and species mixtures under stress

Der Erhalt und die Förderung von (Agro-)Biodiversität gelten als Priorität für eine nachhaltige und souveräne Nahrungsmittelproduktion unter sich ändernden klimatischen und sozioökonomischen Bedingungen. Pflanzengenetischer Vielfalt in Form von Saatgut und Sorten wird in diesem Zusammenhang ein signifikanter Wert beigemessen. Die Verbreitung moderner Hochertragssorten hat zu einem zunehmenden Verlust traditioneller und lokal angepasster Sorten geführt. Doch gerade der Zugang zu diesen Sorten kann entscheidend für den Anbau an Standorten mit sub-optimalen Wachstumsbedingungen sein. Eine hohe Vielfalt an Sorten ist zudem von zentraler Bedeutung für den Erhalt der Agrarbiodiversität sowie der damit verbundenen bereitstellenden, regulierenden und kulturellen Ökosystemleistungen. Zusätzlich wird Anbaudiversifizierung durch Mischkulturen als vielversprechende Strategie angesehen, um die Resilienz von Anbausystemen gegenüber schwankenden Umweltbedingungen zu stärken. Die wissenschaftliche Forschung über die Verwendung von Pflanzensorten und Sortenmischungen aus der ökologischen Pflanzenzüchtung, d.h. Pflanzen, die ohne synthetische Düngemittel und Pestizide erhalten und gezüchtet werden, ist jedoch bisher speziell für Gemüsearten überschaubar, was das Potenzial zum Aufbau widerstandsfähigerer Anbausysteme behindern kann. In dieser Dissertation adressiere ich diese Wissenslücke aus einer agrarökologischen. Perspektive. Meine Dissertation befasst sich mit der Frage, ob sich der Anbau traditioneller und lokal angepasster Pflanzensorten positiv auf die Agrobiodiversität und den damit verbundenen Ökosystemleistungen auswirkt. Im ersten Schritt (Kapitel ZWEI) untersucht diese Arbeit zunächst die bisherige wissenschaftliche Literatur und vergleicht den Beitrag von traditionellen Sorten (oftmals sogenannte Landrassen) mit modernen Hochertragssorten in Bezug auf bereitstellende, regulierende und kulturelle Ökosystemleistungen. Die Auswertung von 41 Publikationen zeigte, dass moderne, Hochertragssorten aufgrund ihrer bereitstellenden Leistungen (z.B. höhere Ernteerträge) unter optimalen Anbaubedingungen von Landwirten weltweit oft bevorzugt werden. Allerdings scheinen regulierenden Leistungen wie z.B. die Resistenz gegen Schädlinge und Krankheiten, bei modernen, Hochertragssorten häufig abzunehmen. Traditionelle Sorten hingegen weisen unter suboptimalen Anbaubedingungen oft eine höhere Resistenz auf und gelten als vertrauenswürdige Quelle für stabile Ernteerträge, insbesondere bei Kleinbauern im globalen Süden. Darüber hinaus spielen traditionelle Sorten aufgrund ihrer kulturellen Merkmale, wie z.B. der Bedeutung für die traditionelle Küche, eine sozial-prägende Rolle in Familien- und Anbautraditionen. Der Wert einer Sorte muss daher im sozio-ökologischen Kontext der einzelnen Landwirte, Konsumenten und kulturellen Gemeinschaften betrachtet werden und geht über die Ertragsleistung und den wirtschaftlichen Wert hinaus. Damit kommt ihr eine individuelle Daseinsberechtigung zuteil. Im darauffolgenden Kapitel DREI wird die die Ertragsleistung zwischen fünf Hybridsorten, fünf konventionellen Sorten und fünf ökologischen Sorten jeweils für Tomaten und Paprika aus einem Anbauexperiment aus dem Jahr 2017 verglichen. Ernteertrag, Ertragsstabilität und Fruchtqualität wurden unter optimaler Bewässerung und unter Trockenstressbedingungen getestet. Die Leistung beider Arten wurde durch den Wassermangel negativ beeinflusst. Die Ergebnisse bestätigen teilweise den erwarteten positiven Einfluss der Hybridzüchtung auf die Ertragsleistung, da die Hybridsorten sowohl unter optimalen als auch unter Trockenstressbedingungen höhere Fruchtzahlen lieferten. Der Ertrag (in Kilogramm) und die Verteilung von vermarktbaren und nicht-vermarktbaren Früchten waren allerdings bei allen drei Sortengruppen, sowohl für Tomaten und Paprika, vergleichbar. Die Hybridsorten waren mit höheren Saatgutkosten und der Unmöglichkeit der eigenen Nachzucht des Saatgutes verbunden. Der Vorteil der Hybridsorten im Vergleich zu den ökologischen oder konventionellen Sorten wird dadurch abgeschwächt. Diese Ergebnisse stellen die weit verbreitete Annahme in Frage, dass nachbaufähige, konventionelle und ökologische Sorten nicht als gleichwertige Alternativen zu Hybridsorten angesehen werden können, insbesondere wenn man bedenkt, dass ökologische Pflanzensorten im Gegensatz zu Hybrid- und konventionellen Sorten nicht durch private Eigentumsrechte eingeschränkt werden. Der dritte Teil (Kapitel VIER) der Dissertation vergleicht die Ertragsleistung (Ernteertrag, Ertragsstabilität, Fruchtqualität) von acht konventionellen und acht ökologischen Tomatensorten aus einem Anbauversuch im Jahr 2018. Diese Sorten wurden entweder als Einzelpflanzen oder im Mischanbau mit einer Leguminose, mit oder ohne Unkrautstress angebaut. Die Ergebnisse zeigen, dass die ökologischen Sorten die konventionellen Sorten in ihrer Ertragsleistung übertrafen. Im Mischanbau erbrachten die ökologischen Sorten höhere Ernteerträge und mehr Früchte von höchster Qualität als die konventionellen Sorten. Unter Unkrautstress zeigten die ökologischen Sorten als Einzelpflanzen eine höhere Fruchtgewichtsstabilität. Diese Ergebnisse belegen die Fähigkeit der ökologischen Sorten, unter suboptimalen Anbaubedingungen gute Erträge zu erzielen. Darüber hinaus rechtfertigen die Ergebnisse die Erhaltung und Wiederherstellung eines vielfältigen Sortenportfolios für diversifizierte Anbausysteme wie z.B. Mischkulturen. Zusammenfassend bietet der Literaturüberblick erstmals eine strukturierte Übersicht über die hohe Bedeutung traditioneller Sorten für regulierende und kulturelle Ökosystemleistungen weltweit. Auf der Grundlage dieser Übersicht empfehle ich die Gewährleistung und Bereitstellung eines möglichst großen und vielfältigen Sortenportfolios auf dem Saatgutmarkt. Da traditionelle Pflanzensorten in vielen Fällen immer noch die zuverlässigere Quelle für stabile Erträge für Kleinbauern sind, sollte ein Saatgutsystem gefördert werden, das die Verfügbarkeit dieser traditionellen Sorten langfristig sichert. Die Gestaltung und Durchführung der Stresstests mit Sorten aus verschiedenen Züchtungsansätzen sind neuartig und liefern neue Erkenntnisse für die Förderung widerstandsfähiger Anbausysteme. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass ökologisch gezüchtete Sorten oft besser für den Mischanbau geeignet sein können. Meine Sortenversuche sollten daher den Beginn einer Reihe neuer experimenteller Studien markieren, die auf möglichst viele Gemüse- und Getreidearten und auf eine breite Palette von Stressszenarien ausgedehnt werden sollten.The conservation of agrobiodiversity is considered a priority to ensure the sustainability and sovereignty of food production under changing climatic and socio-economic conditions. In this context, substantial value is placed on the conservation and promotion of plant genetic diversity in the forms of seeds and varieties. The spread of modern, high-yielding crop varieties has led to an increasing loss of traditional and locally adapted varieties. However, access to traditional and locally adapted crop varieties may be crucial for crop cultivation in locations with sub-optimal growing conditions. A high diversity of crop varieties is also of importance for the preservation of agrobiodiversity and associated provisioning, regulating and cultural ecosystem services. In addition, crop diversification through mixed-cropping is a promising strategy to strengthen the resilience of farming systems under changing environmental conditions. However, scientific research on the use of crop varieties and variety mixtures from organic plant breeding, meaning plants conserved and bred without synthetic fertilizers and pesticides, remains especially for vegetable species limited, which may hinder the potential to build more resilient cultivation systems. In this dissertation, I address this knowledge gap from an agroecological perspective. My dissertation addresses the question of whether the cultivation of traditional and locally adapted crop varieties has a positive impact on agrobiodiversity and ecosystem services. In the first part (Chapter TWO), this dissertation focuses in a systematic review on the existing scientific literature on the contributions of traditional varieties (also known as landraces) to provisioning, regulating and cultural ecosystem services with those of modern, high-yielding varieties. The evaluation of 41 publications showed that modern, high-yielding crop varieties are often preferred by farmers worldwide due to their provisioning services (e.g. higher yield) under optimal cultivation conditions. However, performance benefits, such as resistance to pests and diseases, appear to be often decreasing among modern, high-yielding varieties. Traditional crop varieties, on the other hand, often show higher resistance under sub-optimal growing conditions and are considered a trusted source of stable crop yields, especially by small-scale farmers in the global South. Furthermore, due to their cultural characteristics, such as importance for traditional cuisine, traditional crop varieties play a socially formative role in family and cultivation traditions. The value of a crop variety must therefore be considered within the social-ecological context of the farmers, consumers, and cultural communities. It goes beyond performance and economic value and includes the intrinsic value and the cultural relation between the crop variety and people. In the second part (Chapter THREE), the yield performance between hybrid, conventional and organic varieties of tomato and sweet pepper is examined in a cultivation experiment from 2017. Yield, yield stability and fruit quality were tested under optimal irrigation and under drought stress conditions. Performance of both species was negatively affected by the lack of water. The results confirm the expected positive effect of hybrid breeding for performance to some extent, as hybrid varieties delivered higher fruit numbers under both optimal and drought stress conditions. Yield in harvested kilograms and the distribution of marketable and non-marketable fruits were comparable for hybrid, conventional, and organic tomato and sweet pepper varieties. The benefit of the higher yield of the hybrid varieties was mitigated by higher seed costs and the impossibility of reusing the seed. These results call into question the widespread assumption that open-pollinated conventional and organic varieties cannot be regarded as equivalent alternatives to hybrid varieties, especially when considering that organic crop varieties, in contrast to hybrid and conventional varieties, are not restricted for use by private intellectual property rights. The third part (Chapter FOUR) of the dissertation compares the yield performance (yield, yield stability, fruit quality) of eight conventional and eight organic tomato varieties from a cultivation experiment in 2018. These varieties were cultivated either as single plants or in mixed-cropping with a legume, with or without weed stress. The results showed that the organic varieties outperformed the conventional varieties. In mixed-cropping, the organic crop varieties produced higher yields and more fruit of the highest quality than conventional crop varieties. Under weed stress, the organic crop varieties as single plants showed higher fruit weight stability. These results demonstrate the ability of the organic crop varieties to produce good yields under sub-optimal growing conditions. Furthermore, the results justify the maintenance and restoration of a diverse crop variety portfolio for diversified cultivation systems such as mixed-cropping. In summary, the literature review provides for the first time a structured overview of the high importance of traditional crop varieties for regulating and cultural ecosystem services worldwide. Based on this review, I recommend to farmers and growers the seed market supply of a portfolio of crop varieties that is as large and diverse as possible. Since traditional crop varieties are, in many cases, still the more reliable source of stable yields for small- scale farmers, a seed system should be promoted that ensures the availability of these traditional varieties in the long term. The design and execution of the stress tests with crop varieties from different breeding approaches are novel, and provide new insights for the promotion of resilient farming systems. The findings provide evidence that organically-bred crop varieties may be often better suited for mixed-cropping. My crop variety experiments thus should mark the beginning of a series of new experimental studies that should be extended to as many vegetable and cereal species as possible and to a wide range of stress scenarios.2022-03-0