Impact of Diverse Production Systems on Yield Stability and Environmental Adaptability of Wheat and Barley: A Study Based on Long-Term Field Experiments

• Applicant: Professorin Dr. Janna Macholdt
• Subject Area: Plant Cultivation, Plant Nutrition, Agricultural Technology
• Term: from 2019 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 420210236

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Die Entwicklung von widerstandsfähigen Pflanzenbausystemen mit hoher Ertragsstabilität und guter Umweltanpassungsfähigkeit gewinnt aufgrund klimatischer und agronomischer Herausforderungen zunehmend an Bedeutung. Aus diesem Grund ist es essenziell, die potenziellen Effekte von agronomischen Managementfaktoren auf die Stabilität von Biomasseerträgen landwirtschaftlicher Kulturpflanzen bzw. gesamter Pflanzenbausysteme zu untersuchen. Dauerfeldversuche sind eine wertvolle Ressource für die Untersuchung der Auswirkungen von Klima und Management, da sie einen ausreichend langen Zeitraum unter genau definierten Bedingungen umfassen, und eine Einschätzung von temporalen Ertragsschwankungen ermöglichen. Das durchgeführte DFG-Projekt konnte zu einem besseren Verständnis von agronomischen Managementfaktoren und ihrer Wirkung auf die Ertragsstabilität und Umweltanpassungsfähigkeit von Pflanzenbausystemen, speziell mit Weizen und Gerste, beitragen. Zudem konnten die komplexen Interaktionen zwischen Pflanze x Umwelt x Management identifiziert und neue Einblicke in die langfristigen Vor- und Nachteile gegeben werden, die unterschiedliche agronomische Managementfaktoren – insbesondere die Fruchtfolge und die organische bzw. mineralische Düngung – auf die Ertragsstabilität und Umweltanpassungsfähigkeit von Weizen und Gerste haben. Für eine genaue und robuste statistische Analyse, angepasst an das individuelle experimentelle Design eines jeden Dauerfeldversuchs, wurden gemischte lineare Modelle mit ‘residual maximum likelihood‘ (REML) zur Parameterschätzung verwendet. Die Auswertung umfasste die Quantifizierung der Ertragsstabilität, ausgedrückt als temporale Ertragsvariabilität inklusive Trendschätzung über die Jahre, sowie der Umweltanpassungsfähigkeit, welche die Ertragsreaktion auf veränderte Umweltbedingungen beschreibt. Zudem erfolgte die Einschätzung des Ertragsrisikos, angegeben als die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Ertrag unterhalb eines bestimmten Grenzwertes fällt. Die Ergebnisse zeigten, dass Pflanzenbausysteme mit Fruchtfolgen von geringer Diversität oder reine Getreidefruchtfolgen, ohne zusätzlichen Eintrag von organischer Substanz, anfälliger waren als Systeme mit höherer Diversität in der Fruchtfolge (v.a. mit Leguminosen) und zusätzlichen organischen Einträgen (z.B. Stroh, Gründüngung). Weiterhin wurde eine geringere Ertragsstabilität bei Getreide festgestellt, welches entweder eine unzureichende oder eine übermäßige (über dem Pflanzenoptimum) Nährstoffzufuhr erhielt. Stabilere Getreideerträge wurden dagegen bei einer moderaten, aber immer noch ausreichenden, Nährstoffversorgung beobachtet. In einigen Versuchen zeigte sich zudem, dass Stalldung – im Vergleich mit mineralischer Düngung – Vorteile hinsichtlich der Stabilität von Getreideerträgen haben kann. Die Ergebnisse wiesen auch darauf hin, dass ein höherer organischer Bodenkohlenstoffgehalt positiv mit der Ertragsstabilität von Getreide korrelieren kann, insbesondere unter trockeneren Klimabedingungen. Zudem ergaben Modelsimulationen, dass das Ertragsrisiko von Weizen durch eine höhere Fruchtfolge-Diversität, Zwischenfrüchte und Rückführung organischer Substanz (Strohdüngung) unter aktuellen und v.a. zukünftigen Klimaszenarien reduziert werden konnte. Darüber hinaus wurde im Rahmen eines Methoden-Workshops mit 12 KollegInnen die Ertragsstabilitätsanalyse auf Basis von Dauerfeldversuchen weiterentwickelt und ein Ratgeber veröffentlicht. Der hier vorgestellte statistische Ansatz kann in einen breiteren agronomischen Kontext übertragen werden und bietet die Möglichkeit für Anwendungen in verwandten Bereichen wie Agrar-Ökosystem-Modellierung oder Nachhaltigkeitsforschung.

Publications

• Does fertilization impact production risk and yield stability across an entire crop rotation? Insights from a long-term experiment. Field Crops Research, 238, 82-92.
  Macholdt, Janna; Piepho, Hans-Peter & Honermeier, Bernd
  
• Is yield stability of wheat cropping systems becoming more relevant for growers and advisors in the face of climate change? Abstract Book for the Plant Biologicals Network Copenhagen annual symposium 2019: 50.
  Macholdt, J. & Honermeier, B.
  
• Angepasste Düngestrategie: Wie die Ertragsvariabilität von Winterweizen reduzieren? Bauernblatt Schleswig-Holstein 07/2020: 12-13.
  Macholdt, J., Piepho, H.-P. & Honermeier, B.
  
• Effects of crop rotation and fertilization on yield stability – experiences from the Broadbalk Wheat Experiment Rothamsted (UK) and the Crop Rotation Experiment Rauischholzhausen (University Giessen). Abstract Book of the virtual LTE workshop 2020 (BonaRes): 13-14.
  Macholdt, J., Styczen, M.E., Piepho, H.-P., Honermeier, B., Perryman, S., Macdonald, A. & Poulton, P.
  
• Einfluss der Fruchtfolge auf den Ertrag. DLG Getreidemagazin, Farmtest 03/2020: 2-7.
  Macholdt, J., Piepho, H.-P. & Honermeier, B.
  
• Ernähren nach Plan kann helfen. Bauernzeitung 6/2020: 24-25.
  Macholdt, J., Piepho, H.-P. & Honermeier, B.
  
• How will future climate depending agronomic management impact the yield risk of wheat cropping systems? A regional case study of Eastern Denmark. The Journal of Agricultural Science, 158(8-9), 660-675.
  Macholdt, J.; Gyldengren, J. Glerup; Diamantopoulos, E. & Styczen, M. E.
  
• Impact of mineral fertilization with and without additional organic input on the temporal yield variability of winter rye – new insights from the Skierniewice (Poland) long term experiment. Abstract Book of the virtual LTE workshop 2020 (BonaRes): 15.
  Studnicki, M., Macholdt, J. & Stępień, W.
  
• Long-term analysis from a cropping system perspective: Yield stability, environmental adaptability, and production risk of winter barley. European Journal of Agronomy, 117, 126056.
  Macholdt, Janna; Styczen, Merete Elisabeth; Macdonald, Andy; Piepho, Hans-Peter & Honermeier, Bernd
  
• Long-term yield variability trends for winter wheat and spring barley: insights from the Askov LTE in Denmark. Abstract Book of the virtual LTE workshop 2020 (BonaRes): 6.
  Macholdt, J., Hadasch, S., Piepho, H.-P., Reckling, M., Taghizadeh-Toosi, A. & Christensen, B.T.
  
• The effects of cropping sequence, fertilization and straw management on the yield stability of winter wheat (1986–2017) in the Broadbalk Wheat Experiment, Rothamsted, UK. The Journal of Agricultural Science, 158(1-2), 65-79.
  Macholdt, J.; Piepho, H.-P.; Honermeier, B.; Perryman, S.; Macdonald, A. & Poulton, P.
  
• Zunahme an genetischer Variabilität bei Winterweizen und Winterroggen. DLG Getreidemagazin 4/2020: 1-3.
  Hadasch, S. & Macholdt, J.
  
• Long-Term-Experiments - methods, standardization and modelling. 2. ( 2021 )
  Stumpf, B.; Glendining; M.; Grosse; M.; Hoffmann; C.; Joschko; M.; König; S.; Kroschewski; B.; Cardoso Lisboa; C.; Macdonald; A.; Macholdt; J.; Makádi; M.; Ostler; R.; Perryman; S.; Piepho; H.; Schnell; S.; Storkey; J.; Vaziritabar; Y.; Weller; U. & Honermeier; B.
  
• Methods of yield stability analysis in long-term field experiments. A review. Agronomy for Sustainable Development, 41(2).
  Reckling, Moritz; Ahrends, Hella; Chen, Tsu-Wei; Eugster, Werner; Hadasch, Steffen; Knapp, Samuel; Laidig, Friedrich; Linstädter, Anja; Macholdt, Janna; Piepho, Hans-Peter; Schiffers, Katja & Döring, Thomas F.
  
• Methods of yield stability analysis in long-term field experiments. Annual Proceedings of the German Society of Agronomy 32: 68-69.
  Reckling, M., Ahrends, H., Chen, T.-W., Eugster, W., Hadasch, S., Knapp, S., Laidig, F., Linstädter, A., Macholdt, J., Piepho, H.-P., Schiffers, K. & Döring, T.F.
  
• Welchen Einfluss haben Fruchtfolgesysteme auf die Ertragsstabilität von Winterweizen bei variierter Stickstoffdüngung? Vortrag auf der virtuellen Fachtagung Düngung der SKW Piesteritz. Live-stream auf Youtube (Zeitslot 1h:25min-1h:48min).
  Macholdt, J.
  
• Yield variability trends of winter wheat and spring barley grown during 1932–2019 in the Askov Long-term Experiment. Field Crops Research, 264, 108083.
  Macholdt, J.; Hadasch, S.; Piepho, H.-P.; Reckling, M.; Taghizadeh-Toosi, A. & Christensen, B.T.
  
• Long-term trends in yield variance of temperate managed grassland. Agronomy for Sustainable Development, 43(3).
  Macholdt, Janna; Hadasch, Steffen; Macdonald, Andrew; Perryman, Sarah; Piepho, Hans-Peter; Scott, Tony; Styczen, Merete Elisabeth & Storkey, Jonathan
  
• Yield variability in cereal production: LTE-analyses based on a system perspective "climate x soil x agronomic management". In: Donmez, Cenk, et al. "Long-Term Field Experiments: Lift the Agricultural Data Treasure." BonaRes Series
  Macholdt, J. & Piepho; H.-P.