Auf dem Weg zu multifunktionalen Pflanzenbausystemen: dicke Bretter und rocket science

Hier sieht man eine vereinfachte Darstellung einer multifunktionalen Evaluation von Mischkulturen aus Erbsen und Weizen im Vergleich zu den Reinbeständen. Gezeigt sind Mittelwerte der relativen Unterschiede zwischen Misch- und Reinbestand ohne Signifikanzlevel und Fehlerindikatoren.


Nach dreieinhalb Jahren experimenteller Arbeit bei Prof. Maria Finckh sitze ich nun über einen Berg an Daten, den wir im Versuchsbetrieb Neu-Eichenberg gewonnen haben. Während dieses teilweise sehr technischen Analyse- und Schreibprozesses kreuzen auch immer wieder etwas allgemeinere Ideen und Fragen meine Gedanken. Eine ganz allgemeine lautet: Wie müssten unsere Pflanzenbausysteme gedacht und gemacht werden, damit sie ökologischer und klimaresilienter werden aber eben auch produktiv und wirtschaftlich bleiben?

Die Kritik an den Monokulturen in der Landwirtschaft ist fast schon ein Öko-Klischee. Dennoch enthält sie viel mehr als nur ein Fünkchen Wahrheit. Das Problem, welches uniforme Pflanzenbausysteme schaffen, liest man auch im Mainstream der agrarwissenschaftlichen Grundlagenliteratur. Z.B. werden „homogene Bestände“ als ein Hauptgrund für die Notwendigkeit von Pflanzenschutz im Einleitungskapitel der „Phytomedizin“ genannt (Hallmann und von Tiedemann, 2019, S. 13). Auch Miedaner (2011) weist grundlegend auf den positiven Zusammenhang von Bestandshomogenität und Ausbreitungsgeschehen von Pflanzenkrankheiten hin.

Pflanzenbausysteme: Optimierung auf eine Funktion

Hier möchte ich mich mal mit einer funktionalen Sichtweise unseren Pflanzenbausystemen nähern. Ein grundlegender Vorteil und ebenso ein grundlegendes Problem von einheitlichen Pflanzenbeständen ist die Optimierung auf eine einzige Funktion, also dem Ertrag einer einzigen Kulturpflanzenart und meist auch nur eines ganz bestimmten Teiles dieser Pflanzen (Korn, Frucht oder Blatt). Wenn man die Produktion eines ganz bestimmten Gutes, wie von Weizenkörnern, als alleiniges Ziel eines Pflanzenbausystems vorgibt, dann ist der monokulturelle Anbau von Weizen die rationellste Möglichkeit. Allerdings bezahlt man damit eben auch mit vielen Problemen einheitlicher Pflanzenbestände. Dazu gehören eben die für Pflanzen-Pathogene sehr günstigen Bedingungen, die es bei großflächig homogenen Pflanzenbeständen oder auch Dauerkulturen (die es übrigens auch im ökologischen Obstbau) gibt. Dies wiederum macht einen massiven Einsatz von z.B. Fungiziden notwendig (im Ökolandbau wird nicht zu knapp das giftige Kupfer auf die schönen Früchte gespritzt). Hinzu kommen weitere Probleme, z.B. dass bestimmte Pflanzen wie rankende Erbsen eigentlich evolutionär daran angepasst sind, an anderen Pflanzen zu klettern. Für den Anbau in Monokulturen wurden die Erbsen kurz gezüchtet, damit sie nicht umkippen. Allerdings verlieren sie so ihre Konkurrenzfähigkeit gegen Unkräuter, was den starken Einsatz von Herbiziden (oder mechanischer Unkrautbekämpfung) unumgänglich macht. Alle Funktionen, die monofunktionale Pflanzenbausysteme stabilisieren, müssen hier aus externen Betriebsmitteln, also Pflanzenschutzmitteln (z.B. Herbiziden, Fungiziden oder mechanischen Methoden) kommen.

Mischkulturen, Sortenmischungen und Populationen: eine einfache Antwort?

Also müsste die einfache Antwort doch sein, Pflanzenbausysteme zu diversifizieren. Dazu gehören Sortenmischungen (Wuest et al., 2021), genetisch diverse Populationen (Weedon and Finckh, 2019), Mischkulturen (Bedoussac et al., 2015; Timaeus et al., 2021) oder aber Diversifizierung auf der Landschaftsebene (Tscharntke et al., 2021). Diese Ansätze sind alle schon lange bekannt und zwar auch im Rahmen der modernen und wissenschaftsbasierten Landwirtschaft. Ein Aufsatz zu Multilines (ein Ansatz zur Erstellung von Liniengemischen mit verschiedenen Resistenzen) erschien schon 1969 (Browning and Frey, 1969) und zu genetisch diversen Kulturpflanzen-Populationen noch früher (Suneson, 1956). Warum werden sie dann nicht umgesetzt? Eine mögliche Antwort liegt eben in der Mono-Funktionalität unserer Pflanzenbausysteme, unserer Landschaften und auch der Optimierung anderer Bereiche, die mit der Landwirtschaft zusammenarbeiten. Diese Monofunktionale Ausrichtung hat sich auf verschiedenen Ebenen verfestigt, oder wie man auch sagt, institutionalisiert. Die technische Aufbereitung landwirtschaftlicher Güter (Reinigung, Trocknung), die Verarbeitung landwirtschaftlicher Produkte zu Lebensmitteln, Vertragsgestaltung und Logistik aber auch Züchtung und Agrartechnik sind auf monofunktionale Pflanzenbausysteme ausgerichtet (Meynard et al., 2018, 2013). In diesem System sind Pflanzenbausysteme am erfolgreichsten, die eben nur eine einzige Produktionsfunktion maximal effektiv (nicht unbedingt effizient) erfüllen, also die Produktion eines landwirtschaftlichen Gutes.

Pflanzenbausysteme, die mehrere Funktionen erfüllen, wie die gleichzeitige Produktion verschiedener landwirtschaftlicher Güter, Schutz gegen Pathogene und Unkräuter oder Lebensräume für wilde Tiere und Pflanzen bieten, erbringen durch die monofunktionale Brille weniger Leistung als monofunktionale Pflanzenbausysteme. Dies liegt daran, dass ein Teil der Leistung dieser Pflanzenbausysteme eben nicht in die primäre Produktionsfunktion geht sondern sich auf verschiedene Funktionen verteilt. In Mischkulturen von Weizen und Erbsen ist der Ertrag von Erbsen oder Weizen alleine fast immer geringer als in Erbsen- und Weizenmonokulturen, auch wenn der Gesamtertrag meistens mindestens gleich und oft sogar höher ist (z.B. in den von uns getesteten Weizen-Erbsen-Mischkulturen).

Hierzu kurz ein paar Ergebnisse aus unseren Versuchen. Im Jahr 2018/19 lagen die Erträge in den Mischungen von Erbse 25% und von Weizen 24% unter den Monokulturerträgen. Der Gesamtertrag aber war 29% höher als bei den Weizenreinsaaten. Der sogenannte Ertragsvorteil der Mischungen (yield gain, zur Methodik siehe Li et al. 2020) lag bei knapp 19%. Die Erklärung dafür liegt darin, dass Mischungen die Ressourcen (Nährstoffe, Licht, Wasser) zwar effizienter nutzen als die Reinkulturen aber sich zwei Kulturarten die Ressourcen teilen müssen (das ist Kulturpflanzenökologie ;). Diese Ergebnisse sieht man in dem Plot am Anfang dieses Beitrages und einige Daten sind in einem Tagungsbeitrag veröffentlicht (Timaeus et al. 2021 und weiteres folgt bald).

Funktionen des Pflanzenschutzes innerhalb eines Pflanzenbausystems werden auf dem Markt defacto überhaupt nicht belohnt. Selbst im Ökolandbau wird nur der Verzicht auf synthetischen Pflanzenschutz sanktioniert aber der durch die Pflanzenbausysteme erzielte Pflanzenschutz nicht direkt erfasst oder allenfalls teilweise über die höheren Preise.

Multifunktionale Pflanzenbausysteme: eine funktionale Definition von Mischkulturen

Neben Faktoren, die man ganz praktisch in der Wertschöpfungskette angehen müsste, erfordert eine Diversifizierung aber auch einen prinzipiell anderen Denkansatz. Pflanzenbausysteme müssen, sollte eine Diversifizierung das Ziel sein, von vorneherein multifunktional gedacht werden. Übliche Mischkulturdefinitionen gehen von den Kulturpflanzenarten, ihrer raumzeitlichen Überlappung und ökologischer Interaktion aus, sind aber nicht funktional definiert (Willey, 1979):

“Intercropping, or crop mixture, is defined as the cultivation of two or more crops in the same space and for a significant part of their growing periods.”

Vier Arten von Funktionen sind für multifunktionale Pflanzenbausysteme – meiner Ansicht nach – entscheidend:

  • Erstens gibt es grundlegende agronomische Funktionen wie Ernteerträge und Erntequalität für den Bedarf außerhalb des Anbausystems für den menschlichen oder tierischen Verzehr.
  • Zweitens gibt es Funktionen, die die Pflanzengemeinschaft selbst unterstützen, z. B. Wachstumsunterstützung für Kletterpflanzen, Unkrautunterdrückung für Pflanzen mit geringer Konkurrenzkraft oder Stickstofffixierung für Pflanzen, die auf Stickstoff im Boden angewiesen sind. Hinzu kommt ein für die Pflanzengesundheit positiver Einfluss auf die Ausbreitung und Vermehrung von Pathogenen und anderen Schaderregern (epidemiologische Bedingungen). Hier geht es also um Funktionen bezüglich der Pflanzengesundheit und Pflanzenernährung.
  • Drittens bietet das Anbausystem Lebensraum und Ressourcen für nicht-menschliche Lebensformen wie wildlebende Pflanzen und Tiere. Da Agrarökosysteme enorme Ausmaße auf unserem Planeten erreicht haben, ist dies unerlässlich.
  • Viertens trägt das Agrarökosystem zu Ökosystemprozessen auf regionaler und globaler Ebene bei, z.B. durch Bodenbildung, Bindung von Kohlendioxid und Sauerstoffproduktion. Außerdem spielt es auch eine Rolle im Wasserkreislauf.

Einen sehr spannenden Vortrag zur Multifunktionalität in der ökologischen Landwirtschaft hat Prof. Knut Schmidtke auf der KTBL-Tagung im März 2021 gehalten:

Dicke Bretter und rocket science

Auf dem Weg zu multifunktionalen Pflanzenbausystemen gibt es noch einige dicke Bretter zu bohren. Erfüllt ein Pflanzenbausystem mehrere agronomische Funktionen oder Funktionen zur Pflanzengesundheit und Ernährung, ließen sich diese zumindest prinzipiell innerhalb des Agrarsystems und der Agrarmärkte in Wert setzen. Lebensraum- und Ökosystemfunktionen liegen dagegen eher außerhalb des Agrarsektors und müssten wahrscheinlich über regulatorische Ansätze gefördert werden.

Wenn wir multifunktionale Pflanzenbausysteme wollen, muss auch die Leistungsbewertung von Pflanzenbausystemen multifunktional sein. Hier müsste man also ganz grundlegend in der landwirtschaftlichen Bildung ansetzen. Einen multifunktionalen Vergleich von Erbsen-Weizen-Mischungen mit den Reinbeständen bezüglich verschiedener Parameter in den Bereichen Erträge, Qualität und Pflanzenschutz zeigt der Plot oben in diesem Beitrag. Hier zeigt sich, dass die Erbsen-Weizenmischungen ziemlich gut abschneiden im Vergleich zu den Reinbeständen, wenn man die Bereiche Pflanzenschutz, Qualität und Erträge zusammen betrachtet (siehe Plot am Anfang dieses Beitrages). Gegenüber den Weizenreinsaaten zeigt sich z.B. ein erhöhter Proteingehalt und gegenüber den Erbsenreinsaaten eine verbesserte Unkrautunterdrückung.

Multifunktionale Pflanzenbausysteme würden außerdem eine starke Fundierung durch (pflanzen-) ökologische Grundlagenforschung gepaart mit agronomischer Forschung erfordern (Brooker et al., 2021), die wiederum in die Pflanzenzüchtung und das Design von Pflanzenbausystemen einfließen kann. Es gibt eine ganze Reihe hochspannender aktueller Forschung, z.B. zur zeitlichen Nischendifferenzierung von Kulturpflanzenarten (Li et al., 2020) oder auch zur Pflanzenarchitektur und Plastizität in Mischkulturen (Chen et al., 2020), die zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Mischkulturen genutzt werden könnten. Ein weiterer wichtiger Punkt ist natürlich eine strategische Entwicklung von Geschäftsmodellen, Produkten und Service rund um multifunktionale Pflanzenbausysteme, z.B. angepasste Sorten/Saatgut, angepasste Pflanzenstärkungsmittel/Biologicals, angepasste Trenn/Reinigungstechnik, Services zum Finden optimaler Mischungspartner und Aussaatstärken, um nur einige zu nennen. Deshalb finde ich, dass es durchaus – im Gegensatz zu einem aktuellen Nature-Editorial – Anstrengungen bedarf, die auf dem Level von rocket science sind (“Agriculture isn’t all rocket science,” 2021).

Literatur

Agriculture isn’t all rocket science, 2021. . Nat. Ecol. Evol. 5, 1049–1049. https://doi.org/10.1038/s41559-021-01536-7

Bedoussac, L., Journet, E.-P., Hauggaard-Nielsen, H., Naudin, C., Corre-Hellou, G., Jensen, E.S., Prieur, L., Justes, E., 2015. Ecological principles underlying the increase of productivity achieved by cereal-grain legume intercrops in organic farming. A review. Agron. Sustain. Dev. 35, 911–935.

Brooker, R., George, T.S., Homulle, Z., Karley, A., Newton, A., Pakeman, R., Schöb, C., 2021. Facilitation and Biodiversity Ecosystem Function (BEF) relationships in crop production systems and their role in sustainable farming. J. Ecol. https://doi.org/10.1111/1365-2745.13592

Browning, J.A., Frey, K.J., 1969. Multiline cultivars as a means of disease control. Annu. Rev. Phytopathol. 7, 355–382.

Chen, J., Engbersen, N., Stefan, L., Schmid, B., Sun, H., Schöb, C., 2020. Diversity increases yield but reduces reproductive effort in crop mixtures. BioRxiv.

Hallmann, J., Von Tiedemann, A., 2019. Phytomedizin. utb GmbH.

Li, C., Hoffland, E., Kuyper, T.W., Yu, Y., Zhang, C., Li, H., Zhang, F., van der Werf, W., 2020. Syndromes of production in intercropping impact yield gains. Nat. Plants 1–8. https://doi.org/10.1038/s41477-020-0680-9

Meynard, J.-M., Charrier, F., Le Bail, M., Magrini, M.-B., Charlier, A., Messéan, A., 2018. Socio-technical lock-in hinders crop diversification in France. Agron. Sustain. Dev. 38, 54.

Meynard, J.M., Messéan, A., Charlier, A., Charrier, F., Farès, M., Le Bail, M., Magrini, M.B., Savini, I., Réchauchère, O., 2013. Crop diversification: obstacles and levers. Study Farms Supply Chains Synop. Study Rep.

Miedaner, T., 2011. Resistenzgenetik und Resistenzzüchtung. DLG-Verlag.

Suneson, C.A., 1956. An evolutionary plant breeding method. Agron. J. 48, 188–191.

Timaeus, J., Weedon, O., Finckh, M.R., 2021. Wheat-pea species mixtures as resource efficient and high-performance food cropping systems: evaluation of contrasting wheat genotypes, in: Aspects of Applied Biology. Presented at the Intercropping for sustainability:  Research developments and their application, Reading.

Tscharntke, T., Grass, I., Wanger, T.C., Westphal, C., Batáry, P., 2021. Beyond organic farming – harnessing biodiversity-friendly landscapes. Trends Ecol. Evol. 0. https://doi.org/10.1016/j.tree.2021.06.010

Weedon, O.D., Finckh, M.R., 2019. Heterogeneous Winter Wheat Populations Differ in Yield Stability Depending on their Genetic Background and Management System. Sustainability 11, 6172.

Willey, R.W., 1979. Intercropping Its Importance And Research Needs Part 1. Competition And Yield Advantages Vol-32. MPKV; Maharastra.

Wuest, S.E., Peter, R., Niklaus, P.A., 2021. Ecological and evolutionary approaches to improving crop variety mixtures. Nat. Ecol. Evol. 1–10.

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