Ertragsentwicklung von Winterweizen bei variierter N-Düngung^*

Yield trend of winter wheat with varying N fertilization

Die Anlage des Versuches als Split-Plot-Design erfolgte im Frühjahr 1974 mit dem Ziel, mit Hilfe einer systematisch in Höhe und Verteilung variierten N-Düngung ex post jahresspezifische Ertragsfunktionen zu erstellen und daraus das jeweilige Düngeoptimum für Winterweizen und Wintergerste schätzen zu können. In der Fruchtfolge Winterraps – Winterweizen – Hafer – Wintergerste wurden Weizen und Gerste versuchsmäßig gedüngt, während Raps und Hafer mit 90 bzw. 60 kg N ha^–1 suboptimal mit Stickstoff versorgt wurden, um mögliche N-Überhänge der Vorfrucht zu egalisieren und damit wieder einheit­liche Ausgangsbedingungen für die Nachfrucht zu schaffen. Jede Frucht wurde in jedem Jahr in zwei Blöcken randomisiert auf der Fläche angebaut. Weizen und Gerste wurden zu drei Terminen (Vegetationsbeginn im Frühjahr, Schossbeginn zu EC 30, Ährenschieben zu EC 50/51) gedüngt. Jede Teilgabe umfasste 3 Abstufungen (0, 40 und 80 kg N ha^–1), so dass insgesamt 27 (3 × 3 × 3) Verteilungsmuster mit N-Mengen von 0–240 kg N ha^–1 vorlagen. Im Zeitverlauf wurden die Teilgaben zusätzlich auf 120 kg N ha^–1 gesteigert (1. Teilgabe ab 1980, 2. Teilgabe ab 1978, 3. Teilgabe ab 2003), was die Anzahl der Varianten auf 64 (4 × 4 × 4) bei 0–360 kg N ha^–1 erhöhte. Aus versuchstechnischen Gründen waren die N-Varianten innerhalb der Blöcke nicht vollständig randomisiert. Die Düngung zu Weizen und Gerste erfolgte invers, das bedeutet, dass die im Weizen hoch gedüngten Parzellen nach 2 Jahren in der Gerste nur auf einem entsprechend niedrigem Niveau versorgt wurden, um alle Parzellen inner­halb einer Rotation mit der gleichen N-Menge zu düngen. Damit wurde gewährleistet, dass es nicht zu einer systematischen Akkumulation der Düngungseffekte im Zeitverlauf kommt.

Die Sorte Diplomat (Qualitätsgruppe E, früher: A7) wurde als Standardsorte durchgehend von Versuchsbeginn bis 2002 angebaut, während als zweite, jeweils neuere Sorte Kanzler (Qualitätsgruppe A, früher: A6) (1983–1991), Orestis (Qualitätsgruppe B) (1992–1995), Ritmo (Qualitätsgruppe B) (1996–2004) und Tommi (Qualitätsgruppe A) (ab 2005) geprüft wurden. Im Herbst 2002 wurden die Parzellen von 18 m² (1,5 m × 12 m) auf 36 m² (3 m × 12 m) vergrößert, um eine Kernbeerntung auf einer Länge von 6 m zur Minimierung von Randeffekten zu ermöglichen. Auf Grund der zur Verfügung stehenden Fläche konnte daher seit der Ernte 2003 nur noch eine Sorte (2003–2004: Ritmo; ab 2005: Tommi), geprüft werden. Die Erträge wurden auf dt ha^–1 bei 86% Trocken­masse korrigiert. Die Bestimmung der Kornproteinkonzentrationen erfolgte mittels NIRS (Nah-Infrarot-Reflektions-Spektroskopie), für die Proben von 1975–1987 nachträglich an Hand von Rückstellproben. Der N-Entzug mit dem Korn errechnet sich aus dem Produkt aus Ertrag und N-Konzentration (= Proteinkonzentration/5.7).

Die übrige Produktionstechnik wie Bodenbearbeitung, Aussaat, Grunddüngung und Pflanzenschutz wurde ortsüblich einheitlich für die jeweilige Frucht durchgeführt. Das Stroh verblieb auf der Fläche.

Der Ertrag der ungedüngten Variante (Ynull), das jahres­spezifische ökonomische Ertragsoptimum (Yopt) sowie die dafür notwendige N-Menge (Nopt) leiteten sich ab aus der quadratischen Ertragsfunktion in Abhängigkeit von der N-Gesamtmenge, die mit Hilfe der Prozedur ‘reg’ des Statistikprogramms SAS 9.1 separat für jedes Jahr geschätzt wurden (Tab. 1). Dieses Vorgehen erlaubt im Vergleich zur Einbeziehung der Teilgaben eine direkte Berechnung des ökonomischen Ertragsoptimums (Annahme: 19 Euro je dt Weizen, 0,75 Euro je kg N). Bei der Ertragsoptimierung blieb die Proteinkonzentration unberücksichtigt. Die Ergebnisse des Jahres 1982 wurden bei der Auswertung auf Grund fehlender Kornproteinkonzentrationen eliminiert. Die Ermittlung der zeitlichen Trends und die Quantifizierung des Sorteneinflusses erfolgte mittels Kovarianzanalyse (Prozedur ‘glm’) unter Einbeziehung der Laufzeit als metrisch skalierte Variable, der Sorte als nicht-metrisch skalierte Variable sowie der Interaktion Laufzeit × Sorte (sofern signifikant). Der mittlere Schätzfehler ist als RMSE in den jeweiligen Abbildungen aufgeführt. Bei der Berechnung der Ökovalenz nach Wricke (1962) wird die durch die Interaktion Jahr × N-Düngung bedingte Varianz den jeweiligen N-Stufen entsprechend aufgeteilt. Dabei bedeutet eine geringe Ökovalenz eine hohe Ertragsstabilität.

Abb. 1. Zeitliche Trends im Ertrag der ungedüngten Variante (a), im Optimalertrag (b), in der optimalen N-Menge (c), der Rohproteinkonzentration im Korn (d) und des N-Entzugs bei optimaler N-Düngung (e) (RMSE: Root Mean Square Error)
Trends of the grain yield in the unfertilized control (a), the grain yield at optimal N fertilization (b), the amount of optimal N fertili­zation (c), the grain crude protein concentration (d) and the N offtake by the grain at optimal N fertilization (e) (RMSE: Root Mean Square Error).

Im Gegensatz zu den Erträgen der nicht mit Stickstoff gedüngten Varianten stiegen die aus den Ertragsfunk­tionen abgeleiteten Ertragsoptima im Zeitverlauf signifikant um 0,63 dt ha^–1 a^–1 an (Abb. 1b). Dabei lagen die Sorten Diplomat und Kanzler auf einem signifikant niedrigeren Niveau als die Sorte Tommi, wobei die fehlende Interaktion Jahr × Sorte eine ähnliche Reaktion der Sorten über die Zeit belegt. Auch bei separater Betrachtung des Ertragstrends für die Sorte Diplomat über den Zeitraum von 1976 bis 2002 war dieser Zusammenhang zu beobachten (nicht dargestellt). Bei gleicher Reaktion erbrachte die Sorte Tommi deutlich höhere Erträge als die Sorte Diplomat. Dieser Ertragsanstieg im Laufe der Jahre kann aber nicht auf eine Erhöhung der eingesetzten N-Menge zurückgeführt werden, da sich die zur Erreichung des opti­malen Ertrages notwendige N-Düngung im Zeitverlauf nicht signifikant veränderte und sogar eine leichte rückläufige Tendenz aufwies (Abb. 1c). Die Proteinkonzen­tration im Korn bei ökonomisch optimaler Düngung nahm in allen Sorten um 0,07% pro Jahr ab (Abb. 1d). Dabei akkumulierten Diplomat und Tommi mehr Protein im Korn als Kanzler, Orestis und Ritmo. Auch bei diesem Merkmal konnte keine Jahr × Sorten-Interaktion beobachtet werden, so dass die Steigung der Geraden bei allen geprüften Sorten identisch war. Demgegenüber unterschieden sich die Sorten bezüglich des Verlaufs der N-Entzüge mit dem Korn bei den zum Ertragsoptimum erforderlichen N-Mengen (Abb. 1e). Während Diplomat einen leicht ansteigenden Trend im N-Entzug zeigte, waren bei Ritmo und insbesondere bei Orestis und Tommi stark ansteigende Entzugswerte zu beobachten, was aber sowohl bei Orestis als auch bei Tommi auf die hohen Entzüge der beiden jeweils letzten Jahren zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu wies Ritmo im gesamten Beobachtungszeitraum (Ausnahme: 1998) eine steigende Tendenz auf.

In Abb. 2a ist die Beziehung zwischen dem Ertrag bei optimaler N-Düngung und der Proteinkonzentration im Korn dargestellt. Bei allen Sorten zeigte sich eine negative Korrelation zwischen beiden Variablen, wobei genotypische Unterschiede sichtbar wurden. Während Kanzler und Ritmo auf gleichem Niveau lagen, wies die Sorte Orestis die geringsten Werte auf. Dagegen lagen die Sorte Diplomat und insbesondere die Sorte Tommi über den übrigen Sorten. Die Proteinkonzentration sank im Mittel um 0,053% je dt Ertrag. Keinen signifikanten Zusammenhang ergab die statistische Analyse mit allen Sorten zwischen dem Ertrag bei optimaler N-Düngung und der Höhe der optimalen N-Düngung (Abb. 2b). Zwar konnte eine positive Korrelation zwischen beiden Merkmalen bei der Sorte Tommi oder in abgeschwächter Form auch bei der Sorte Ritmo beobachtet werden, doch war bei Diplomat die Beziehung schwach negativ (nicht signifikant).

Abb. 2. Beziehung zwischen dem Ertrag bei optimaler N-Düngung und der Rohproteinkonzentration im Korn (a) sowie der Höhe der optimalen N-Düngung (b) (RMSE: Root Mean Square Error)
Relation between grain yield at optimal N fertilization and the grain protein concentration (d) and the optimal N fertilizer amount (b) (RMSE: Root Mean Square Error).

Die Verteilung der einzelnen Teilgaben zur Erreichung des Ertragsmaximums variierten im Zeitablauf teilweise erheblich (Abb. 3a + b). Eine grundlegende Tendenz, dass sich die Höhe einzelner Teilgaben im Zeitverlauf veränderte, war nicht zu erkennen.

Abb. 3. Verlauf des Ertragsmaximums und der optimalen Aufteilung der N-Teilgaben bei Diplomat (a) und modernen Sorten (b)
Trend in grain yield maximum and optimal N fertilizer splitting in Diplomat (a) and modern genotypes (b).

Im Mittel aller Sorten und Jahre schwankten die Erträge in Abhängigkeit von der Höhe und der Verteilung der N-Düngung zwischen 42,3 und 86,5 dt ha^–1 (Tab. 2). Die Ertragswirksamkeit der Teilgaben zu Vegetationsbeginn (N1) und zum Schossen (N2) war größer als die zum Ähren­schieben (N3). Die höchsten Erträge wurden mit Teilgaben von 80 bzw. 120 kg N ha^–1 sowohl zu N1 als auch zu N2 erzielt. Die Ertragsstabilität der Düngungssysteme, beurteilt an Hand der Ökovalenz nach Wricke (1962), schwankte dabei erheblich (Tab. 2). Die größte Ökovalenz und damit die geringste Ertragsstabilität traten auf, wenn zu den beiden ersten Terminen Vegetations­beginn und Schossbeginn EC 30 keine Düngung erfolgte. Die vergleichsweise geringe Schwankung bei der 3. N-Gabe kann auf die wenig ausgeprägte Ertragswirkung dieser Teilgabe zurückgeführt werden. Der Vergleich der Kombinationen aller drei Teilgaben zeichnet ein sehr heterogenes Bild, aus dem sich nur schwer grundlegende Tendenzen ableiten lassen. Wie schon bei den Einzelgaben wiesen die Kombinationen mit ungedüngter 1. bzw. 2. Teilgabe die geringste Ertragsstabilität auf. Die höchste Ertragsstabilität (entspricht der geringsten Ökovalenz) wurde bei Erträgen von über 70 dt ha^–1 erzielt. (Abb. 4).

Abb. 4. Beziehung zwischen dem Ertrag und der Ökovalenz nach Wricke (1962)
Relation between grain yield and ecovalence according to Wricke (1962).

Im Vergleich zu anderen Dauerversuchen (Johnston, 1994; Körschens, 2001) sollte eine Akkumulation von Düngeeffekten vermieden werden. Daher wurde innerhalb der Rotation jede Parzelle mit der gleichen N-Menge gedüngt. Bei einer erheblichen Jahresvarianz konnte kein negativer Ertragstrend in den ungedüngten Varianten beob­achtet werden. Nach Ergebnissen von Sieling (2001) am gleichen Standort hätten sich diese Effekte trotz der langsamen Reaktion des Systems Boden auf ein verändertes Anbaumanagement im Zeitverlauf von mehr als zwei Jahrzehnten manifestieren müssen. Auch Hülsbergen et al. (2002) konnten bei ihren Untersuchungen keinen Ertragstrend in den ungedüngten Varianten beobachten, während im Gegensatz dazu in den Versuchen von Kunzová und Hejcman (2010) die Erträge in den Null­parzellen im Zeitverlauf anstiegen.

Die ökonomisch optimale N-Düngung (Nopt) wurde aus den Ertragsfunktionen separat für jedes Jahr und jede Sorte unter der Annahme von 19 Euro je dt Weizen und 0,75 Euro je kg N abgeleitet und damit die entsprechenden Erträge (Yopt) geschätzt. An dieser Stelle sei darauf verwiesen, dass die Erträge und die Proteinkonzentrationen nicht auf der Basis der Teilgaben, sondern auf der Basis der N-Gesamtmenge geschätzt wurden. Sensibilitätsanalysen zeigten nur geringe Auswirkungen von variierenden Relationen der Faktor- und Produktpreise auf die Höhe der optimalen N-Düngung. Im Zeitverlauf stiegen die Erträge bei optimaler N-Düngung um 0,63 dt ha^–1 a^–1 an. Der züchterische Fortschritt spiegelt sich eindrucksvoll in der höheren Ertragsleistung der neueren Genotypen wider. Auch Hejcman und Kunzová (2010) berichteten von einem jährlichen Ertragsanstieg von 0,73 dt ha^–1 in der mit 121 kg N ha^–1, 40 kg P ha^–1 und 71 kg K ha^–1 versorgten Variante, der aber vermutlich auf die Residualwirkung der Düngung in den Vor­jahren zurückzuführen ist. Foulkes et al. (1998) stellten in ihren Versuchen fest, dass neuere Sorten höhere N-Mengen zur Erreichung des optimalen Ertrages benötigen. Diese Erkenntnis kann mit den vorliegenden Versuchsergebnissen nicht unterstützt werden, da der im Versuchsverlauf positive Ertragstrend nicht mit einer entsprechenden Erhöhung der dazu erforderlichen N-Menge einherging.

Der im vorliegenden Versuch beobachtete Ertragsanstieg kann prinzipiell auf verschiedenen Ursachen beruhen. Einerseits sind Verbesserungen in der Produktionstechnik wie Bestandesetablierung oder auch Pflanzenschutz denkbar. Durch adäquaten Pflanzenschutz wurde versucht, die Parzellen frei von Krankheiten und Schäd­lingen zu halten, so dass während der Laufzeit des Versuches kein gravierender Befall mit Schaderregern auftrat. Höhere physiologisch begründete Wirkungen modernerer Fungizide können nicht ausgeschlossen werden, scheinen aber nicht allein den beobachteten Ertragsanstieg erklären zu können (Beck, 2005). Auch kam es im Zeitverlauf zu einer sukzessiven Vorverlegung des Aussaattermins um ca. 3 Wochen, allerdings ließ sich keine signi­fikante Korrelation zwischen Aussaattermin und Optimalertrag erkennen. Seit Versuchsbeginn hat sich die mit Hilfe einer in Versuchsnähe etablierten Wetterstation erhobene Jahresmitteltemperatur signifikant um 0,045°C pro Jahr erhöht. Simulationen mit Hilfe eines Phäno­logiemodells (Böttcher, unveröffentlicht) deuten einerseits auf einen früheren Vegetationsbeginn hin, der zu einer Verlängerung der Wachstumsperiode geführt haben könnte. Andererseits verringerte dieser Temperaturanstieg die Dauer der Kornfüllungsphase geringfügig um ca. 2 Tage, so dass aufgrund des im Versuchszeitraum gefundenen Temperaturtrends eher ein Ertragsrückgang als ein -anstieg zu erwarten gewesen wäre.

Parallel zum Temperaturanstieg ließ sich jedoch auch eine Zunahme der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre um 1,62 ppm a^–1 messen. Aufgrund der besseren Datenverfügbarkeit wurde auf die Werte der Station Mauna Loa auf Hawaii (Keeling et al., 2005) zurückgegriffen. Das Umweltbundesamt (2010) hatte einen ähnlichen Anstieg an ihrer Station Schauinsland registriert. Die Opti­malerträge nahmen mit steigenden CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre um 0,40 dt (ha*ppm CO₂)^–1 zu. Unter der Annahme, dass es sich hierbei wirklich um einen kausalen Zusammenhang und nicht nur um eine Scheinkorrelation handelt, bedeutet dies, dass die Erhöhung der CO₂-Konzentration um 40 ppm in den letzten 25 Jahren den Ertrag um ca. 16 dt ha^–1 (+ 25%) gesteigert hat. Ein solcher Ertragsanstieg allein durch CO₂ erscheint allerdings wenig wahrscheinlich, zumal nach Ergebnissen aus FACE-Versuchen (Free Air Carbondioxid Enrichment) eine um 170 ppm erhöhte CO₂-Konzentration den Weizenertrag nur um 19–27% steigerte (Weigel et al., 1994), was in etwa einem Ertragsanstieg von nur 0,1 dt ha^–1 ppm^–1 CO₂ entspräche. Der beobachtete Trend der Optimalerträge kann daher nicht allein auf Veränderungen der CO₂-Konzentrationen zurückgeführt werden.

Die in Deutschland gültige Dünge-Verordnung schreibt u.a. die Ermittlung des Düngebedarfs unter Berücksich­tigung der für die unter den jeweiligen Standort- und Anbau­bedingungen zu erwartenden Erträge und Qualitäten vor. Dabei wird für Stickstoff ein linearer Zusammenhang zwischen Ertragsniveau und N-Düngebedarf unterstellt. Wie aus Abb. 2b sowie Abb. 3a + b hervorgeht, kann eine solche Linearität an Hand des vorliegenden Datenmaterials nicht in dieser Stringenz belegt werden. Wie unzählige N-Steigerungsversuche belegen, korrelieren Ertrag und N-Düngebedarf innerhalb eines Jahres positiv, aber über verschiedene Umwelten (Jahre, Standorte) variiert der optimale N-Bedarf nicht zwangsläufig mit der Ertragshöhe, da häufig andere Wachstumsfaktoren ertragslimitierend wirken können. Demgegenüber konnten Sylvester-Bradley und Kindred (2009) eine positive Korrelation zwischen der optimalen N-Düngung und dem Ertragsniveau auf Betriebsebene nachweisen.

Über die negative Beziehung zwischen Ertragsniveau und Proteinkonzentration wurde in der Literatur mehrfach berichtet (z.B. Feil, 1998; Triboi und Triboi-Bondel, 2001). Neben anderen möglichen Ursachen wie geringe Effizienz der pflanzeninternen Umverlagerung, Konkurrenz von Kohlenhydratsynthese und N-Metabolismus (Nitratreduktion) um Energie, Probleme beim Wurzelwachstum und der N-Aufnahmeleistung und N-Verluste der Pflanzen während der Kornfüllung verwies Feil (1998) auch auf die Möglichkeit der mangelnden N-Verfügbarkeit während der Kornfüllungsphase. Abhilfe könnte durch eine Erhöhung der 3. N-Gabe zum Ährenschieben erreicht werden. Allerdings korreliert nach Böttcher und Kage (2009) der Kornertrag bei Weizen stark positiv mit der Strahlungssumme zwischen EC 50 und EC 75, so dass zum Zeitpunkt der Applikation der Ährengabe das Ertragsniveau nicht zuverlässig prognostiziert werden kann.

Fußnoten: