Lentil production in Germany : testing different mixed cropping systems, sowing dates and weed controls

As a kind of legume crop, lentils (Lens culinaris Medik.) with their high nutritional value are grown mainly for human consumption in many regions of the world. The crop has benefits in crop rotation due to its symbiotic N-fixation, which is important especially in organic farming, and it can also increase crop biodiversity in arable land. In Europe, lentils are considered one of the popular leguminous food crops. However, the cultivation and scientific research on lentils were neglected in Germany and Central Europe over the past 50 years. Recently, farmers have begun to realize the value of lentils and have re-introduced the crop into organic and conventional farming in Central Europe. The lentil plant has a weak stalk and is easily lodging. Lodging plants cannot be completely cut and picked up by combine harvesters, and result in yield loss, especially under the wet conditions that often occur in Central Europe. To avoid lodging of crop, lentils were commonly grown in mixed cropping with cereals, such as oat (Avena sativa L.), barley (Hordeum vulgare L.) and rye (Secale cereale L.). However, there is little current information on lentil cultivation under temperate climates in this region. One of the most relevant challenges for growing lentil is how to explore its yield potential adapt to the local conditions. Moreover, lentil plant has a low competition capacity against weeds which are always one of the big agronomic problems especially on organic farm. Therefore, three field experiments presented in this dissertation were carried out to design and improve lentil cropping systems under organic farming in Germany in terms of productivity and competitiveness performance, suitable species and proportion of companion crops, lentil cultivars, sowing dates, weed control, and seed quality. The results should be used to adapt lentil cropping systems to different local climatic conditions in Germany. The specific objectives were (i) to optimize lentil-based mixed cropping systems through different combinations of companion crops (barley, wheat (Triticum aestivum L.), oat, linseed (Linum usitatissimum L.) and buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench)) and mixing ratios, which were expected to show different performance on crop productivity, weed infestation, and lentil lodging, (ii) to determine whether different sowing time (early, medium, late) have effects on a standard lentil-barley mixed cropping system in regard to crop yield and weed control, (iii) to test whether woodchip mulch can help suppressing weeds and increasing crop yield in lentil monocropping and mixed cropping, (iv) to determine whether different mixing ratios affect seed protein content in lentil-cereals (barley, wheat) mixed cropping system. To achieve the first objective, a two-year field experiment of mixed cropping of lentils with five spring-sown companion crops: naked-barley, wheat, oats, linseed and buckwheat was conducted at the organic research station Kleinhohenheim in 2009 and 2010. Besides sole lentil and sole companion crops, three mixing ratios (3:1, 1:1, 1:3) were used. Lentil grain yield was 1.47 t ha-1 in monocropping and 0.58-1.07 t ha-1 in mixed cropping, depending on the mixing ratio and companion crop (Chapter 2). The land equivalent ratio (LER) was higher in mixed cropping than in monocropping generally. Lentil-wheat and lentil-barley mixed cropping with a ratio of 3:1 resulted in the highest LER (ca. 1.50) whereas lentil-linseed had the lowest LER in all ratios. Lowest lodging was observed in lentil-wheat and lentil-oat mixed cropping. Additionally, mixed cropping with ratios of 3:1, 1:1 and 1:3 (lentil: companion crop) reduced weed biomass by 29 %, 41 % and 24 %, respectively, compared with lentil monocropping. The results indicated that lentil mixed cropping in the study seemed more promising than monocropping under the given conditions of the location. Except for the linseed, all tested species can be well used as companion crops especially the two cereals (barley and wheat) which can be recommended. The mixing ratio should consider the total yield advantage (LER), the risk of crop lodging, and marketing considerations of both crops. To achieve the second objective of the study, another two-year (2009-2010) field trial was carried out at two sites: the organic research station Kleinhohenheim (KH) and the conventional research station Oberer Lindenhof (OLI) (Chapter 3). The crop was sown at three dates (early, medium and late) in the period from March to May. Four genotypes of lentil: Anicia, Schwarze Linse, Hellerlinse and Berglinse were mixed-cropped with naked-barley at a ratio of 3:1 (lentil:barley) at each sowing date. Results showed that grain yield of crops was significantly higher at the earliest sowing both for lentils (3.0 t ha-1 at KH, 2.4 t ha-1 at OLI) and barley (1.2 t ha-1 at KH, 2.6 t ha-1 at OLI). Lentil seed per plant, barley seed per ear, and thousand kernel weight of crops decreased significantly with delayed sowing. At KH experimental site, weed biomass increased significantly with delayed sowing and was independent of the lentil genotype, whereas sowing date had no significant effect on overall weed biomass production at OLI. The results indicated that early sowing can increase the yield of lentils, and can also be used as an indirect method of weed control in organic farming. To further control weeds to achieve the third objective, a field experiment of applying woodchips mulch on lentils was carried out at the organic research station Kleinhohenheim, in the years 2009 and 2010 (Chapter 4). Two years on average, an amount of 160 m3 ha-1 (fresh matter) woodchips mulch reduced weed biomass and weed density in both cropping systems compared to no mulch treatment, with a reduction by 43 % and 29 % (sole), and by 51 % and 30 % (mixed) respectively. Mixed cropping of lentils with barley (3:1) also decreased weed biomass compared with lentil sole cropping; however, no effect on weed density was observed. Lentil grain yield from sole and mixed cropping was 3.0-3.4 t ha-1 and 2.1-2.2 t ha-1 (2009), and 1.0-1.1 t ha-1 and 0.8-0.9 t ha-1 (2010). Barley grain yield was 1.4 t ha-1 in 2009 and 0.7 t ha-1 in 2010. Despite decreasing weeds, the mulch did not improve crops grain yields in mixed or sole cropping. The combination of woodchip mulch and mixed cropping is useful to reduce weed infestation in cropping systems where chemical or mechanical weed control is not possible and for crops with a low capacity for competition against weeds. Another focus of the study was on seed quality (protein content), especially for the cereals (Chapter 5). The two mixed cropping systems: lentil-wheat and lentil-barley with five seeding ratios (4:0, 3:1, 1:1, 1:3, 0:4) were tested at the organic research station Kleinhohenheim in 2009 and 2010 (originated from the experiment 1). Results showed that cereal grain protein increased significantly when their proportion was reduced in the mixture with lentils. Wheat crude protein increased from 10.3 % (2009) and 11.0 % (2010) in monocropping to 11.5 % (2009) and 15.1 % (2010) in mixed cropping with 75 % lentils. Barley crude protein increased in the same way from 13.7 % in monocropping to 15.8 % in mixed cropping with 75 % lentils. However, lentil protein content did not differ significantly across all mixing ratios. Total crude protein in a mixture was significantly higher than that in cereals or lentils monocropping. Mixed cropping with lentils can thus be an option to obtain a high protein content of wheat which is important for a suitable breadmaking quality, particularly in organic farming. Summarizing, the overall results of the study will open new options for growing lentils in Central Europe from where the crop has vanished over the last decades and may guide the future of lentil production in multi-cropping.Linsen (Lens culinaris Medik.), die zu den Leguminosen zählen, werden vor allem wegen ihres hohen Nährwerts zur menschlichen Ernährung angebaut. Aufgrund ihrer Fähigkeit zur Stickstoff-Fixierung sind Linsen interessante Fruchtfolgeglieder, speziell im Ökologischen Landbau. Obwohl sie in Europa zu den wichtigen Leguminosen zählen, wurde die Forschung zu Linsen über Jahrzehnte vernachlässigt. In den letzten 50 Jahren ist diese Kultur beinahe vollständig aus Mitteleuropa verschwunden. In letzter Zeit haben Landwirte wieder begonnen, den Wert der Linse zu erkennen und sie wieder verstärkt im konventionellen und ökologischen Anbau einzusetzen. Da die Pflanzen einen schwachen Stängel haben, neigen sie zum Lagern. Dies hat den Nachteil, dass diese Partien nicht vollständig mit mechanischen Ernteverfahren erfasst werden können und Ertragseinbußen nach sich ziehen. Vor allem bei feuchter Witterung, wie sie in Mitteleuropa herrscht, ist diese Gefahr gegeben. Um der Lagerneigung der Linsen zu begegnen, wurden sie früher gewöhnlich im Mischanbau kultiviert. Typische Mischungspartner waren Hafer (Avena sativa L.), Gerste (Hordeum vulgare L.) und Roggen (Secale cereale L.). Derzeit jedoch gibt es nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen zu Stützfrüchten, deren Mischungsverhältnisse im Gemenge mit Linsen, zum optimalen Saatzeitpunkt und zur effektiven Unkrautbekämpfung. Einer der wichtigsten Punkte in der Linsenforschung ist es, dass Ertragspotential zu bestimmen und in den unterschiedlichen Regionen auszuschöpfen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Entwicklung von Anbaustrategien zur Vermeidung von Verlusten durch Verunkrautung aufgrund der geringen Konkurrenzkraft der Linsen gegenüber Unkräutern. Demzufolge wurden im Rahmen dieser Dissertation drei Feldversuche angelegt um Linsenanbausysteme unter ökologischen und konventionellen Anbaubedingungen in Deutschland im Hinblick auf Produktivität und Konkurrenzfähigkeit, geeignete Sorten und den Anteil der Mischungspartner, Saatzeitpunkt, Unkrautbekämpfung und Saatgutqualität zu entwickeln und zu verbessern. Die Ergebnisse der Arbeit sollen dazu beitragen den Linsenanbau an verschiedene lokalspezifische Klimabedingungen Deutschlands anzupassen. Ziele dieser Arbeiten waren: (i) Linsenbasierte Mischanbauverfahren zu optimieren, indem verschiedene Mischungspartner und Mischungsverhältnisse im Hinblick auf Ertrag, Verunkrautung, Lageranfälligkeit und Ertragsqualität (besonders der Rohproteingehalt der Getreidepartner) untersucht wurden, (ii) verschiedene Saatzeitpunkte (früh, mittel, spät) im Gersten-Linsen-Mischanbau im Hinblick auf Ertrag und Unkrautunterdrückung zu testen, sowie (iii) den unkrautunterdrückenden Effekt von Holzschnitzeln im Rein- und Mischanbau von Linsen zu untersuchen. Zur Bearbeitung der ersten Versuchsfragestellung wurde ein zweijähriger Feldversuch an der Versuchsstation für ökologischen Landbau Kleinhohenheim (KH) (2009 und 2010) angelegt. Dabei wurden Linsen im Mischanbau mit 5 verschiedenen Mischungspartnern (Gerste, Weizen, Hafer, Lein, und Buchweizen) untersucht. Neben dem alleinigen Anbau von Linsen und der fünf Mischungspartner wurden 3 unterschiedliche Mischungsverhältnisse (3:1, 1:1, 1:3) geprüft. Der Linsenkornertrag lag im Monocropping bei 1,47 t ha-1 und im Mischanbau, in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis und Mischungspartner zwischen 0,58 und 1,07 t ha-1 (Kapitel 2). Der LER war generell im Mischanbau höher als bei Monocropping. Die ?land equivalent ratio? (LER) ist ein wichtiges Maß für die Beurteilung von Mischkulturen. Der Linsen-Weizen und Linsen-Gerste Mischanbau mit einem Mischungsverhältnis von 3:1 erreichte die höchste LER (ca. 1,5), wohingegen der Linsen-Lein Mischanbau in allen Mischungsverhältnissen die geringste LER zeigte. Die geringste Lagerneigung wurde im Linsen-Weizen und Linsen-Hafer Mischanbau festgestellt. Zusätzlich reduzierte der Mischanbau den Unkrautdruck um 29 % (3:1), 41 % (1:1) und 24 % (1:3) gegenüber dem Monokulturanbau. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Mischanbau von Linsen vorteilhafter gegenüber dem Reinbestand unter den gegebenen Standortverhältnissen darstellt. Außer Lein (Linum usitatissimum L.) erschienen alle geprüften Mischungspartner (Weizen (Triticum aestivum L.), Gerste, Hafer und Buchweizen (Fagopyrum esculentum Moench) für den Mischanbau mit Linsen geeignet. Um der zweiten Versuchsfragestellung nachzugehen wurde ein weiterer zweijähriger Feldversuch (2009-2010) an den Standorten Kleinhohenheim (KH) und Oberer Lindenhof (OLI, konventioneller Landbau) angelegt (Kapitel 3). Drei Saatzeitpunkte zwischen März und Mai wurden an den zwei Versuchsstandorten untersucht. Darüber hinaus wurden vier Linsengeotypen (Anicia, Schwarze Linse, Hellerlinse und Berglinse) im Mischanbau mit Braugerste im Verhältnis 3:1 getestet. Der Linsen- (3,0 t ha-1 in KH, 2,4 t ha-1 am OLI) und der Gerstenertrag (1,2 t ha-1 in KH, 2,6 t ha-1 am OLI) waren in der früh gesäten Variante signifikant höher als in den Varianten mit späteren Saatzeitpunkten. Die Anzahl Linsen/Pflanze bzw. Körner/Ähre (bei Gerste) und die Tausendkornmasse verringerten sich signifikant mit späteren Aussatzeitpunkten. Der Unkrautbesatz war durch die späteren Aussaatzeitpunkte in Kleinhohenheim signifikant erhöht, unabhängig von der Linsensorte, wogegen der Saatzeitpunkt keinen signifikanten Effekt auf den Unkrautbesatz am Versuchsstandort OLI hatte. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass frühe Saatzeitpunkte eine indirekte Methode zur Reduzierung des Unkrautdruckes im Ökologischen Landbau darstellen können, und dass eine frühe Aussaat ertragssteigernd wirkt. Eine weiterhin untersuchte Methode zur Unkrautbekämpfung war die Anwendung von Holzschnitzeln als Mulchmaterialien mit einer Menge von 160 m3 ha-1 auf der Versuchsstation Kleinhohenheim in den Jahren 2009 und 2010 (Kapitel 4). Dies führte zur Reduktion von Unkrautmasse und Unkrautdichte im Vergleich zur Kontrolle von 43 % und 29 % in der Reinkultur und einer Reduktion um 51 % und 30 % im Mischanbau. Der Gerste-Linsen-Mischanbau (3:1) reduzierte die Unkrautmasse ebenfalls signifikant im Vergleich zur Reinkultur, jedoch war kein Effekt im Hinblick auf die Unkrautdichte messbar. Die Linsenerträge der Rein- und Mischkultur lagen bei 3,0 - 3,4 t ha-1 und 2,1 - 2,2 t ha-1 (2009) bzw. bei 1,0 - 1,1 t ha-1 und 0,8 ? 0,9 t ha-1 (2010). Die Gerste erreichte Erträge von 1,4 t ha-1 (2009) und 0,7 t ha-1 (2010). Somit konnten trotz der unkrautunterdrückenden Wirkung keine ertragssteigernden Effekte der Holzschnitzel festgestellt werden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der Einsatz von Holzschnitzeln als Mulchmaterial und Mischanbau geeignete Methoden sind um den Unkrautdruck zu reduzieren, insbesondere dort, wo chemischer und mechanischer Pflanzenschutz nicht möglich sind. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Untersuchung des Einflusses verschiedener Mischungsverhältnisse auf den Rohproteingehalt der Mischungspartner Gerste und Weizen. Hierzu wurden aus dem in Kapitel 2 beschriebenen Versuch zwei Mischanbausysteme (Linsen-Weizen und Linsen-Gerste) ausgewählt und die jeweils fünf Mischungsverhältnisse (4:0, 3:1, 1:1, 1:3, 0:4) im Hinblick auf den Rohproteingehalt bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass der Rohproteingehalt des Getreides in beiden Mischanbausystemen mit zunehmendem Linsenanteil im Mischungsverhältnis signifikant anstieg. Der Rohproteingehalt des Weizens im Mischanbau mit 75 % Linsenanteil (11,5 % in 2009 und 15,1 % in 2010) konnte im Vergleich zur Reinkultur (10,3 % in 2009 und 11,0 % in 2010) gesteigert werden. Gleichermaßen stieg der Rohproteingehalt der Gerste von 13,7 % in der Reinkultur auf 15,8 % in der Mischkultur mit 75 % Linsen. Der Rohproteingehalt der Linsen variierte hingegen nicht in Abhängigkeit verschiedener Mischungsverhältnisse. Der gesamte Rohproteingehalt innerhalb eines Mischanbausystems konnte im Vergleich zum Anbau von Getreide bzw. Linsen in Reinkultur signifikant gesteigert werden. Somit bietet der Mischanbau mit Linsen im ökologischen Landbau die Möglichkeit, einen hohen Rohproteingehalt im Weizen, als wichtigen Qualitätsparameter im Hinblick auf die Backeigenschaften, zu erzielen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit neue Optionen für den Anbau von Linsen in Mitteleuropa auf und können somit dazu beitragen, dieser in ihrer Bedeutung stark zurückgegangenen Kultur sowie dem Mischanbau im Allgemeinen wieder zu verstärktem Einsatz zu verhelfen