Agronomic studies on organic cultivation of grain legumes at summer-dry locations in southwestern Germany

Körnerleguminosen sind als stickstofffixierende Kultur, Proteinfuttermittel und Marktfrucht von großer Bedeutung für die ökologische Landwirtschaft. Mit dem schrittweisen Wegfall der Zufütterungsmöglichkeit von konventionellen Futtermitteln wächst in der EU der Bedarf an ökologisch erzeugten Proteinfuttermitteln. Ackerbohne (Vicia faba) und Erbse (Pisum sativum) haben große Anbaubedeutung, weisen jedoch einen begrenzten Futterwert auf. Lupinenarten (Lupinus spp.) zeichnen sich durch Proteingehalte von bis zu 40% im Korn und höhere Proteinwertigkeit aus. In den wärmebegünstigten Lagen üdwestdeutschlands kann die hochwertige Sojabohne (Glycine max) erfolgreich angebaut werden und im Naturkostbereich überdurchschnittliche Erlöse erzielen. Einschränkungen der Ertragssicherheit von Körnerleguminosen ergeben sich mitunter durch oft hohe Verunkrautung im ökologischen Anbau und suboptimale Wasserversorgung an sommertrockenen Standorten. Für Lupinen sind zudem spezielle Bodenansprüche sowie die samenbürtige Pilzkrankheit Anthracnose problematisch. Stickstoffrückstände nach der Ernte sind sowohl für die Nachfrucht als auch für den Grundwasserschutz relevant. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Anbauvoraussetzungen zu definieren und Anbaustrategien zu entwickeln, um Ertragssicherheit und -niveau von Körnerleguminosen im ökologischen Anbau, mit Schwerpunkt auf sommertrockenen Standorten, zu optimieren, die Vielfalt anbauwürdiger Kulturen zu erhöhen und Informationen zum Verbleib von Stickstoffrückständen zu liefern. Hierfür wurden in den Jahren 2003 bis 2005 Versuche an mehreren Standorten sowie in Gewächshaus und Labor durchgeführt. Feldversuche zur ökologischen Unkrautregulierung in Sojabohne sowie Weißer und Schmalblättriger Lupine (Lupinus albus und L. angustifolius) wurden auf ökologisch bewirtschafteten Praxisflächen im Oberrheingebiet durchgeführt. Dabei wurden sowohl pflanzenbauliche Maßnahmen zur Optimierung der Konkurrenzkraft als auch der Geräteeinsatz variiert. Frühzeitig hohe Bodendeckung und Bestandeshöhe trugen wesentlich zur Konkurrenzkraft der Körnerleguminosen bei. Verzögerte Aussaat bei erhöhten Temperaturen förderte die zügige Jugendentwicklung und ermöglichte bereits vor der Saat eine Unkrautbekämpfung. Bei optimalem Saattermin können diese Effekte ohne Ertragsdepression oder Abreifeschwierigkeiten genutzt werden. Reduzierte Reihenweiten waren förderlich für Standraumnutzung und frühen Bestandesschluss, jedoch war die Effektivität mechanischer Maßnahmen bei großer Reihenweite und hohem hackbaren Flächenanteil am höchsten. Als optimaler Kompromiss sind für Körnerleguminosen Reihenweiten von 30 - 35 cm zu empfehlen. Die beste Wirkung mechanischer Maßnahmen gegen Unkräuter wurde durch Gerätekombinationen der Hacke mit Striegel oder Fingerhacke erzielt. Ein Verzicht auf die Hacke kann bei konkurrenzstarken Kulturen wie der Ackerbohne erwogen werden. Lupinenarten haben sich im Kulturvergleich als eher konkurrenzschwach gezeigt. Feldversuche zum Einfluss von Sortenwahl und Anbaustrategie auf Überwinterung und Ertragsleistung der Winterformen von Ackerbohne, Erbse und Weißer Lupine wurden an drei Standorten durchgeführt. Bei Sommertrockenheit erzielten die Winterformen aufgrund besserer Wasserversorgung in der vorgezogenen Blühphase erhebliche Ertragsvorteile gegenüber den Sommerformen. Bei ausreichender Wasserversorgung war der Entwicklungsvorsprung nicht ertragswirksam. Unterschiedliche Koinzidenz mit biotischen Schaderregern konnte für Winterformen Vorteile (Vorsprung vor Blattlauszuflug) oder Nachteile (Pilzinfektionen im Winter) bedeuten. Die Überwinterung war bei der Winterackerbohne sehr gut, bei der Wintererbse gut, bei der Winterlupine bedarf sie der weiteren Klärung. Temperaturen bis -12°C wurden von allen drei Kulturen gut überstanden. Als wichtigster Anbauparameter zeigte sich der Saattermin. Die Winterackerbohne erlaubte ein relativ breites Saatfenster. Die Winterlupine erforderte starke Vorwinterentwicklung und möglichst frühe Aussaat. Der Saattermin der Wintererbse stellte ein Optimierungsproblem dar, da zu frühe Aussaat zu Überentwicklung und abnehmender Frosthärte, zu späte Aussaat hingegen zu reduziertem Ertragspotenzial führt. Optimale Saattermine in Südwestdeutschland liegen nach den Versuchsergebnissen bei Anfang September (Winterlupine), Mitte Oktober (Winterackerbohne) und Ende Oktober (Wintererbse). Die Wassernutzungseffizienz kann zukünftig erheblich an Bedeutung gewinnen. Ein zweijähriger Versuch zu Anbauwürdigkeit und Ertragsleistung der besonders trockenstresstoleranten Kichererbse (Cicer arietinum) am Oberrhein ergab eine erfolgreiche Bestandesentwicklung, jedoch Probleme mit Taubhülsigkeit und mangelnder Kornqualität. Weitere Versuche werden als aussichtsreich eingeschätzt. In einem Feldversuch mit Weißer und Schmalblättriger Lupine wurde bestätigt, dass die Anthracnose der Lupine sich an sommertrockenen Standorten langsamer und weniger ertragswirksam ausbreitet, und dass die Schmalblättrige Lupine oft befallsfrei bleibt. Laboruntersuchungen zur Optimierung der Nachweismethodik für den Erreger Colletotrichum lupini auf Nährmedium ergaben Vorteile bei Verwendung von unterteilten Petrischalen, die die Ausbreitung von Störerregern eingrenzen. Ein Versuch zur Saatgutlagerung bei verschiedenen Temperaturen, Kornfeuchten und CO2-Atmosphäre ergab keinen eindeutigen Varianteneffekt, konnte jedoch die allgemeine Befallsabnahme mit der Zeit bestätigen. Nach Literaturangaben reduziert auch die Heißluftbehandlung (ca. 4 Tage bei 65°C) den Befall effektiv. Überlagerung oder Heißluftbehandlung von Basissaatgut und Vermehrung an sommertrockenen Standorten erscheinen somit als praktikable Gesamtstrategie. Die diffizilen Bodenansprüche von Weißer und Schmalblättriger Lupine wurden durch einen Gefäßversuch sowie eine umfangreiche Literaturanalyse untersucht. Es wird geschlossen, dass die sogenannte Kalkchlorose durch eine HCO3--induzierte Inaktivierung des physiologisch relevanten Fe(II) in der Pflanze verursacht wird. Die Anreicherung von HCO3- wird im Wesentlichen durch mangelnde Bodendurchlüftung verursacht, und durch die Anwesenheit von Kalk in der Tonfraktion unterstützt. Darüberhinaus treten, vor allem an Schmalblättriger Lupine, Wurzelentwicklungsstörungen auf, wenn hohe Ca-Gehalte oder ein hoher und zugleich stark gepufferter pH-Wert in der Bodenlösung vorliegen. Diese Bedingungen werden oft, jedoch nicht zwingend durch Kalk verursacht. Ernterückstandsanalysen und Bodenuntersuchungen wurden zur Abschätzung der Stickstoffdynamik herangezogen. Immobilisierung beim Abbau von Ernteresten mit hohem C:N-Verhältnis sowie Aufnahme durch Zwischenfruchtgemenge trugen wesentlich zur Stickstoffkonservierung bei. Das Auswaschungsrisiko ist vor allem standortabhängig. Die Gesamtstickstoffbilanz von Körnerleguminosen kann bei einem Export des Korngutes gering oder sogar negativ sein. Zusammenfassend können standortangepasste Anbausysteme mit pflanzenbaulichen Maßnahmen in den Bereichen Fruchtfolge, Sortenwahl, Saattermin oder Standraumzuteilung noch erhebliche Beiträge zur Ertragssicherheit im ökologischen Anbau von Körnerleguminosen leisten.Grain legumes, as nitrogen fixing crop, protein rich animal feed and marketable product are of great importance for organic agriculture. Due to staged abolition of the possibility to add non-organic products in organic animal feeding, the EU?s demand for organically produced protein feed is further increasing. Field bean (Vicia faba) and field pea (Pisum sativum) are large-scale crops but feature a limited feeding value. Lupin species (Lupinus spp.) excel by protein contents of up to 40% in the seed and higher protein value. At warmth favoured locations in southwestern Germany the valuable soybean (Glycine max) can be grown successfully and obtain above-average proceeds in natural food industry. Constraints of yield stability of grain legumes result amongst other things from frequently high weed infestation in organic cropping systems and suboptimal water supply at summer-dry locations. For lupins, moreover, particular soil requirements and the seed-borne fungal disease anthracnosis are problematic. Nitrogen residues after harvest are relevant for subsequent crop as well as groundwater protection. The presented work aimed at defining preconditions and developing cropping strategies to optimise yield stability and level of organically grown grain legumes with a main focus on summer-dry locations, to increase diversity of cultivatable crops and provide information on disposition of nitrogen residues. For this purpose from 2003 to 2005 trials at several locations as well as in greenhouse and laboratory were accomplished. Field trials on organic weed control in soybean as well as white and narrow-leafed lupin (Lupinus albus und L. angustifolius) were conducted at organically managed commercial sites in the upper rhine valley. At the same time agronomic measures for optimisation of competitiveness and machinery implementation were varied. Early high soil coverage and crop height contributed considerably to grain legumes? competitiveness. Delayed sowing at elevated temperatures supported rapid juvenile development and allowed for pre-sowing weed control. At optimum sowing date these effects may be used without yield depression or maturity problems. Reduced row distance was beneficial for optimum space utilisation and early crop closure, but effectiveness of mechanical means was highest at high row distance and large areal proportion for interrow cultivation. As an optimum compromise for grain legumes row distances of 30 - 35 cm are recommended. Optimum impact of mechanical means against weeds was achieved by combining interrow cultivation with harrow or fingerweeder. Forgoing interrow cultivation may be considered in strongly competitive crops like field bean. Lupin species appeared rather poor in competitiveness compared to other crops. Field trials on effects of cultivar and cropping strategy on overwintering and yield performance of autumn-sown field bean, field pea and white lupin were conducted at three locations. Summer drought caused substantial yield advantages of autumn-sown compared to spring-sown cultivars due to superior water supply at earlier flowering. With sufficient water supply a head start was not yield effective. Differing coincidence with pests and diseases could account for advantages (head start on aphid infestation) or disadvantages (fungal infections during winter period) of autumn-sown cultivars. Overwintering was excellent for winter field bean and good for winter field pea. For winter white lupin further trials are required. Temperatures down to -12°C were well endured by all of the three crops. The most important cropping parameter was the sowing date. Winter field bean permitted a relatively wide sowing window. Winter white lupin required strong development before winter and preferably early sowing. Sowing date of winter field pea presented an optimisation problem, because sowing too early leads to overdevelopment and reduced cold-tolerance, while sowing too late may reduce yield potential. Optimum sowing dates for southwestern Germany according to experimental results are in the range of early September (winter white lupin), mid-October (winter field bean) and late October (winter field pea). Water use efficiency may gain significantly in importance in the future. A two-year trial on cultivation prospects and yield performance of the notably drought tolerant chickpea (Cicer arietinum) in the upper rhine valley resulted in successful crop development, but problems with empty pods and inadequate grain quality. Further trials are considered promising. A field trial with white and narrow-leafed lupin confirmed that anthracnosis of lupin spreads less rapidly and yield effectively at summer-dry locations, and narrow-leafed lupin frequently stays unaffected. Laboratory studies for optimising detection methodology of the causative organism Colletotrichum lupini showed advantages of using sectioned petri dishes (quad plates), which confined propagation of disturbing organisms. A trial on seed storage under different temperatures, seed moisture contents and CO2-atmosphere produced no distinct treatment effect, but could confirm the general decrease of seed infection by storage. According to literature hot air (approx. 4 days at 65°C) also reduces seed infection effectively. Thus, storage or hot air treatment of basic seed and propagation at summer-dry locations appear as a viable over-all strategy. Difficult soil requirements of white and narrow-leafed lupin were studied by a pot trial as well as a comprehensive literature analysis. It is concluded that the so-called lime chlorosis is caused by HCO3--induced inactivation of physiologically relevant Fe(II) in the plant. Accumulation of HCO3- is basically caused by insufficient soil aeration and promoted by the presence of lime in the clay fraction. Furthermore, especially in narrow-leafed lupin, disturbances of root development are caused by high Ca-content or high and at the same time strongly buffered pH of soil solution. These conditions are often but not necessarily caused by lime. Analyses of harvest residues and soil were consulted for estimation of nitrogen dynamics. Immobilisation due to degradation of residues with high C:N ratio as well as uptake by catch crops contributed substantially to nitrogen conservation. Risk of leaching is predominantly site dependent. The over-all nitrogen balance of grain legumes when exporting the seed may be low or even negative. In conclusion, results of the presented work indicate that site adapted cropping systems with agronomic measures in the areas of crop rotation, choice of cultivar, sowing date or space allocation can still contribute considerably to yield stability in organic cultivation of grain legumes