Bonn, Germany
September 6, 2023
Farmers usually plant so-called cover crops after harvesting their main crop in the Fall. This prevents erosion of the soil and nutrient leaching. The roots of these crops also stabilize the structure of the soil. It had been assumed up to now that a mixture of different cover crops would result in particularly intensive rooting. However, a recent study carried out by the University of Bonn, University of Kassel and University of Göttingen found only limited evidence that this is the case. Instead, mixed cover crops grow thinner roots than when just one single type of cover crop is planted. This result was unexpected. It documents how little is currently understood about the interactions between plant roots. The study was published in the magazine “Plant and Soil.”
Soil profile of a test field: - Samples the size of a brick were taken from the soil at different depths and the roots were then isolated, scanned and measured.© Photo: Johannes Siebigteroth/University of Bonn
In agriculture, crops are usually differentiated into main crops and cover crops. The first category includes crops with which farms mainly earn their money such as cereals, potato or maize. Once these crops have been harvested, it is time for the cover crops: They are sown to maintain or improve the quality of the soil. Cover crops suppress weeds, prevent nitrate leaching and reduce erosion by rain and wind. “These crops are not usually harvested but simply die away during the first frosty days,” explains Roman Kemper, who received his doctorate in the research group headed by Prof. Dr. Thomas Döring at the Institute of Crop Science and Resource Conservation (INRES) at the University of Bonn. “Nevertheless, they are hugely important for economic farming.”
Comparing mixed cover crops with pure stands
Many of these positive effects are hugely dependent on how well the roots of the cover crops penetrate the soil. “It had been widely assumed up to now that mixed cover crops penetrate the soil more intensively than pure stands of cover crops comprising one single plant species. The reasoning behind this idea is that if roots from several species sown at the same time are competing, the result will be so-called niche differentiation. This means the roots of some cover crops will mainly penetrate upper layers of soil, while others will seek out lower layers of soil.
“Overall, this should mean that a mixture of crops will result in greater rooting of the entire soil profile,” says Kemper. “In agroforestry systems in which trees are also planted next to typical agricultural crops, this effect is actually observed. However, we were not able to find any evidence for this effect in the cover crops in our fields.”
The researchers tested cover crops of oil radish, winter rye and crimson clover in their study. The plants were either sown as single or mixed cover crops. The scientists then investigated how the roots had penetrated the soil at different depths in late Fall.
“We were surprised by the results,” emphasizes Kemper: “Particularly positive effects were observed in the fields where oil radish and winter rye had been sown on their own. The roots of the winter rye favored the upper layers, while the roots of the oil radish penetrated significantly deeper.” But what happened when oil radish was planted together with winter rye? Surprisingly, the root mass did not increase in all of the soil layers taken together as a result. The roots of the deeper rooting oil radish did penetrate more intensively into lower levels of the soil in the mixed crop than was the case with pure stands. However, the roots of the mixed cover crops were significantly thinner and thus the root mass did not increase overall.
Cleaning and closely examining every root
The results document how little is currently known about the root growth of crop mixtures. This may also be due to the fact that their research involved extremely painstaking work. Hundreds of soil samples – each as big as a brick – had to be taken for the study. The samples were washed, sieved and then cleaned using a pair of tweezers to remove even the tiniest pieces of dirt or contamination from the roots that were sometimes just a few tenths of a millimeter thick. Every root was then scanned, dried and weighed.
However, this painstaking work was worth the effort. “There has so far only been rudimentary research carried out into the rooting performance of our arable crops,” says Kemper. “This means that there is still a lot of new things to discover.”
SPONSORSHIP
Alongside the University of Bonn, the other participants in the project were the University of Kassel and the University of Göttingen. The research was funded by the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL).
PUBLICATION
Roman Kemper, Thomas F. Döring, Nicole Legner, Catharina Meinen and Miriam Athmann: Oil radish, winter rye and crimson clover: root and shoot performance in cover crop mixtures; Plant and Soil; DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-023-06240-y
Forschungsarbeit der Universität Bonn analysiert Effekte von Zwischenfrucht-Mischungen auf die Durchwurzelung
Landwirtinnen und -wirte bauen nach der Ernte im Herbst meist sogenannte Zwischenfrüchte an. Diese verhindern die Erosion und die Auswaschung von Nährstoffen. Zudem stabilisieren sie mit ihren Wurzeln das Bodengefüge. Bislang nahm man an, dass Mischungen aus mehreren verschiedenen Zwischenfrüchten zu einer besonders intensiven Durchwurzelung führen. Eine aktuelle Studie der Universitäten Bonn, Kassel und Göttingen findet dafür jedoch nur bedingt Belege. Stattdessen bilden die Mischungen dünnere Wurzeln, als wenn nur eine einzelne Zwischenfrucht-Art angebaut wird. Das Ergebnis ist unerwartet. Es dokumentiert, wie wenig die Interaktionen von Pflanzenwurzeln bislang verstanden sind. Die Studie ist in der Zeitschrift „Plant and Soil“ erschienen.
In der Landwirtschaft unterscheidet man zwischen Haupt- und Zwischenfrüchten. In die erste Kategorie fallen die Pflanzen, mit denen die Betriebe vor allem ihr Geld verdienen - etwa Getreide, Kartoffeln oder Mais. Nach ihrer Ernte schlägt die Zeit der Zwischenfrüchte: Sie werden ausgesät, um die Bodenqualität zu erhalten oder zu verbessern. Sie verdrängen beispielsweise Unkräuter, verhindern die Auswaschung von Nitrat und reduzieren die Erosion durch Regen und Wind. „Meist werden sie nicht geerntet, sondern sterben bei den ersten frostigen Tagen einfach ab“, erklärt Roman Kemper, der am Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (INRES) der Universität Bonn in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Thomas Döring promoviert. „Dennoch sind sie für einen wirtschaftlichen Ackerbau immens wichtig.“
Zwischenfrucht-Mischungen mit Reinsaaten verglichen
Viele dieser positiven Effekte hängen maßgeblich davon ab, wie gut die Zwischenfrüchte den Ackerboden durchwurzeln. „Bislang war die Annahme verbreitet, dass Zwischenfrucht-Mischungen das Bodenprofil intensiver durchwurzeln als Zwischenfrucht-Reinsaaten aus einer einzigen Pflanzenart“, sagt Kemper. Die Idee dahinter: Wenn die Wurzeln mehrerer gleichzeitig ausgesäter Arten in Konkurrenz treten, trägt das zur sogenannten Nischendifferenzierung bei. Manche Zwischenfrüchte durchwurzeln dann verstärkt obere Bodenschichten, andere dagegen suchen ihr Heil in der Tiefe.
„Insgesamt sollte sich bei Mischungen daher die Durchwurzelung über das gesamte Bodenprofil erhöhen“, sagt Kemper. „In Agroforstsystemen, in denen neben typischen landwirtschaftlichen Nutzpflanzen auch Bäume angepflanzt werden, tritt dieser Effekt tatsächlich auf. Bei den Zwischenfrüchten auf unseren Feldern konnten wir ihn jedoch nicht nachweisen.“
Die Forschenden haben für ihre Studie die Zwischenfrüchte Ölrettich, Inkarnatklee und Grünroggen getestet. Die Pflanzen wurden entweder einzeln oder als Mischung ausgesät. Im Spätherbst untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dann die Durchwurzelung des Bodens in unterschiedlichen Tiefen.
„Das Ergebnis hat uns überrascht“, betont Kemper: „Einzeln ausgesät, zeigten vor allem Ölrettich und Grünroggen positive Effekte. Dabei wurzelte Grünroggen vorzugsweise in oberen Schichten, Ölrettich dagegen deutlich tiefer.“ Doch was passiert, wenn man Ölrettich und Grünroggen gemeinsam anpflanzt? Erstaunlicherweise erhöhte sich dadurch die Wurzelmasse in allen Bodenschichten zusammengenommen nicht. Zwar fiel die Durchwurzelung im Unterboden durch den Tiefwurzler Ölrettich in den Mischungen stärker aus, als wenn nur Reinsaaten angebaut wurden. Gleichzeitig waren die Wurzeln in den Zwischenfrucht-Mischungen aber deutlich dünner, so dass ihre Masse insgesamt nicht zunahm.
Jede Wurzel unter der Lupe gesäubert
Die Ergebnisse dokumentieren, wie wenig bisher über das Wurzelwachstum von Pflanzenmischungen bekannt ist. Das dürfte auch daran liegen, dass seine Erforschung immens aufwändig ist. So mussten für die Studie Hunderte von Bodenproben entnommen werden, jede so groß wie ein Ziegelstein. Die Proben wurden gewaschen, gesiebt und anschließend kleinste Verunreinigungen der teilweise nur wenige Zehntel Millimeter dicken Wurzeln mit der Pinzette entfernt. Jede Wurzel wurde dann gescannt, getrocknet und gewogen.
Doch die mühevolle Arbeit ist ihren Aufwand wert. „Bislang sind die Prozesse bei der Durchwurzelung unserer Kulturpflanzen erst in Ansätzen erforscht“, sagt Kemper. „Hier gibt es daher noch jede Menge Neues zu entdecken.“
FÖRDERUNG
An der Studie waren neben Bonn die Universitäten Kassel und Göttingen beteiligt. Die Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert.
PUBLIKATION
Roman Kemper, Thomas F. Döring, Nicole Legner, Catharina Meinen und Miriam Athmann: Oil radish, winter rye and crimson clover: root and shoot performance in cover crop mixtures; Plant and Soil; DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-023-06240-y
Topics
Species
