Zur Ökostabilität von Winterroggensorten unter Standortbedingungen Brandenburgs

Eco-stability of winter rye varieties under site conditions of Brandenburg

Die Sortenversuche am Standort Thyrow wurden vom Bereich Freiland der Lehr- und Forschungsstation an der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin angelegt und durchgeführt. Der Standort liegt südlich von Berlin (Teltow-Fläming-Kreis) auf ca. 44 m Höhe über NN. Bei Ackerzahlen zwischen 23 und 28 wurden die Versuche auf einem für die Region typischen schwach schluffigen Sandboden durchgeführt. Die Versuche waren als zweifaktorielle Spaltanlage (Haupteinheit: Sorte, Untereinheit: Pflanzenschutzintensität) mit zweifacher Wiederholung je Prüfglied angelegt. Erfasst wurde der Kornertrag in dt ha^–1 bei 86% TS der Stufe II mit Fungizid- und Wachstumsreglereinsatz sowie optimaler Stickstoffdüngung. Die Sekundärauswertung basiert auf den Ertragsergebnissen aus den Jahren 2003–2011. Die Datenbasis bestand aus sieben Popula­tionssorten, einer synthetischen Sorte und sieben Hybridsorten (Tab. 3).

Die Auswertung erfolgte mittels deskriptiver Statistik und Varianzanalyse entsprechend der Versuchsanlage mit anschließendem Mittelwertvergleich nach Tukey-B (p ≤ 0,05). Die Sekundärauswertung wurde mit den Programmen SPSS Statistics 17.0, SAS 9.2 und Microsoft Office Excel 2007 durchgeführt.

Die Einschätzungen zur Sorte-Umwelt-Wechselwirkung beruhen auf dem dynamischen Konzept der Stabilitätsanalyse. Nach diesem Konzept ist eine Sorte stabil, wenn ihre Leistung dem Ertragspotential der Umweltbedingungen entspricht bzw. wenn sie unter allen Anbaubedingungen eine möglichst gleiche Abweichung zu den jeweiligen Umweltmittelwerten zeigt (Becker, 1981). Die Umweltmittelwerte wurden jeweils als Durchschnitt aller Sortenleistungen in einer bestimmten Umwelt errechnet und als Maß für die Produktivität dieser Umwelt angesehen. In der vorliegenden Arbeit wurden dazu folgende biometrische Methoden zur Sortenbewertung verwendet: Ökovalenz, Ökoregression, Floating Checks, Varianzkomponentenanalyse sowie Korrelation und Regression.

Ein zentraler Punkt der Auswertung war die Berechnung der Ökovalenzwerte nach Wricke (1962) für aus­gewählte Sorten. In mehrjährigen Sortenversuchsserien wurden dafür die Varianzen der Wechselwirkungseffekte Sorte × Umwelt ermittelt und zur besseren Interpretation anschließend in einen Variationskoeffizient der Ökovalenz umgerechnet (Thomas, 2006). Je kleiner die Ökovalenz eines Prüfgliedes ist, desto größer ist seine Ökostabilität. Je größer die Ökovalenz ist, desto stärker ist der Umwelteinfluss auf die Prüfgliedeffekte (Skalierung nach Bätz, 1984).

Des Weiteren wurde mit der Ökoregressionsrechnung nach Eberhart und Russel (1966) die Abhängigkeit der Prüfgliedmittelwerte von den Umweltmittelwerten analysiert. Die lineare Regressionsanalyse ermöglichte es, die sortenspezifische Reaktion auf variable Umweltbedingungen zu erfassen. Im Durchschnitt aller Sorten ist der Anstieg der Regressionsgeraden per definitionem b = 1. Für die fachliche Interpretation waren der Regressionskoeffizient b (Reaktionsparameter), die Lage der Regressionsgeraden und das Stabilitätsmaß s² (Abweichungsquadratsumme) von Interesse.

Neben den klassischen Stabilitätsparametern wurde zudem die Floating-Checks-Methode von Jensen (1976) verwendet. Diese Methode bewertet die potentielle Leistungsfähigkeit einer Sorte in einem Merkmal, bestimmt in allen Umwelten die Sorten mit der höchsten Leistung und berechnet anschließend einen Mittelwert der Höchst­erträge. Dieser Mittelwert entspricht 100%. Die Sortenmittelwerte über alle Umwelten werden ins prozentuale Verhältnis zum durchschnittlichen Höchstertrag gesetzt. Je mehr sich eine Sorte dem Wert 100% nähert, desto höher ist ihre Leistung über alle Umwelten und im Vergleich zum geprüften Sortiment.

Zur weiteren Beurteilung der Ökovariabilität der Prüfmerkmale (Kornertrag und Ertragsstrukturmerkmale) wurden die Anteile der Prüffaktoren (Jahr, Standort, Sorte) an der Merkmalsvariabilität bestimmt. Für jedes Merkmal wurde die Summe der Abweichungsquadrate (SQ) der einzelnen Prüffaktoren und deren Kombination zur Gesamtsumme der Abweichungsquadrate SQ_total ins Verhältnis gesetzt (Thomas, 2006). Die getesteten Varianzen der SQ-Anteile wurden abschließend mittels F-Test (p ≤ 0,05) auf Signifikanz überprüft.

Die bisher genannten Parameter geben keinen direkten Aufschluss darüber, wie bestimmte Sorten auf witterungsbedingte Einflüsse reagieren. Aus diesem Grund wurde zusätzlich der Witterungseinfluss auf den Kornertrag bestimmt. Hierbei wurde der Kornertrag im Mittel des geprüften Sortiments in Abhängigkeit von der klima­tischen Wasserbilanz für den Zeitraum April bis Juni an der LSV-Prüfstation Nuhnen (2003–2009) und am Versuchsstandort Thyrow (2003–2011) angegeben. Die Ertragsbildung von Winterroggen wird in diesem Zeitraum signifikant von der Evapotranspiration (Chmielewski und Köhn, 2000), dem Niederschlag und der Temperatur beeinflusst (Chmielewski, 1992). Die klimatische Wasserbilanz berechnet sich aus der Differenz zwischen Niederschlagshöhe und Höhe der potentiellen Verdunstung an einem bestimmten Ort und während einer bestimmten Zeitspanne. Zur Berechnung der potentiellen Evapotranspiration wurde das Verfahren nach Haude (1955) verwendet. Die Einbeziehung des Haude-Faktors (Löpmeier, 1994) ermöglichte die Anpassung der Gleichung an unterschiedliche Zeiträume und Fruchtarten.

Ergebnisse

Abb. 1. Jährliche Ertragslei­stung des ausgewählten Sortiments von Winter­roggen (Landessorten­versuche Brandenburg, 2003 bis 2011).

Die Variationsursachen für den Kornertrag und die Ertragsstrukturmerkmale von Winterroggen auf Sortenbasis sind in Tab. 4 aufgeführt. Der Faktor Sorte erreichte einen signifikanten Einfluss auf die Ertragsvariabilität von 7,4%. Im Ergebnis einer separaten Varianzanalyse war der Einfluss des Faktors Sortentyp auf den Korn­ertrag mit 4,1% gering, aber ebenfalls signifikant (Tab. 5).

Die Abb. 2 stellt die Parameter Ökovalenz und Floating Checks für den Kornertrag der ausgewählten Sorten je Sortentyp dar. Das Niveau der Ökovalenz für das Merkmal Kornertrag lag mit durchschnittlich 6,9% auf einem mittleren Niveau. Die Heterogenität auf der Sortenebene ließ keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Ökostabilität zwischen den Sortentypen erkennen, allerdings zeigten die Hybridsorten tendenziell geringere Ökovalenzwerte in Kombination mit überdurchschnittlichen Ertragsleistungen.

Abb. 2. Ökovalenz und Floating Checks für das Merkmal Korn­ertrag von Winter­roggen (Landessorten­versuche Brandenburg, 2003 bis 2011).

In Tab. 2 sind die Ergebnisse auf Sortenbasis detailliert aufgeführt. Die vier Hybridsorten Askari, Fugato, Minello und Pollino wiesen die geringsten Ökovalenzwerte auf. Sie erbrachten im Vergleich zum gesamten Hybridsortiment zwar geringere Ertragsleistungen, lagen aber trotzdem deutlich über dem mittleren Ertragsniveau der anderen beiden Sortentypen. Nur zwei Hybridsorten, Hellvus und Bellami, kombinierten ein signifikant höheres Ertragsniveau mit geringerer Ökostabilität. Als beste Hybrid­sorten fielen Minello sowie Brasetto auf. Bei den Populationssorten hob sich Matador ab, die sich durch eine mittlere Ökovalenz und eine für den Sortentyp gute Ertragsleistung auszeichnete. Von den synthetischen Sorten konnte Caroass positiv bewertet werden, die ebenfalls eine mittlere Ertragsstabilität und eine gute Ertragsfähigkeit zeigte. Im Ergebnis der Ökoregression lag der Regressionsparameter der Sorten, unabhängig vom Sortentyp, zwischen b = 0,8 und 1,2. Die einzige Ausnahme stellte die Hybridsorte Balistic dar, die einen Reaktionspara­meter von b = 1,3 aufwies. Diese Sorte kann somit dem Intensivtyp zugeordnet werden, d.h. sie setzt bessere Umweltbedingungen überdurchschnittlich gut in Mehr­ertrag um. Mit einer Ökovalenz von 6,2% wies sie da­rüber hinaus keine erhöhte Ertragsvariabilität auf und besaß mit 96% Floating Checks ein gutes Leistungsvermögen.

In Tab. 6 sind die Ökovalenzwerte der Ertragsstrukturparameter für die Sortentypen von Winterroggen zusammengefasst. Die Ökovalenzwerte für die Ertragsstrukturmerkmale Bestandesdichte und Kornzahl je Ähre lagen im Mittel des Sortiments auf einem sehr hohen Niveau und zeigten eine deutliche Variationsbreite auf Sorten­ebene. Für das Merkmal Tausendkornmasse lagen die Ökovalenzwerte im Mittel des geprüften Sortiments dagegen auf einem geringen Niveau. Im Vergleich der Ertragsstrukturmerkmale fielen die Variationsbreite auf Sortenebene und die Unterschiede zwischen den Sortentypen beim Merkmal Tausendkornmasse gering aus. Im Vergleich der Sortentypen zeigten die Hybridsorten tendenziell stabilere Merkmalsausprägungen. Eine signifikante Differenzierung zwischen den Sortentypen war allerdings bei keinem Ertragsstrukturmerkmal aufgrund der Variationsbreite der Ökovalenzwerte auf Sortenebene möglich.

In Abb. 3 ist der Kornertrag in Abhängigkeit von der klimatischen Wasserbilanz im Mittel aller geprüften Roggensorten an den Standorten Nuhnen und Thyrow dar­gestellt. Je weiter die Werte der klimatischen Wasser­bilanz im negativen Bereich lagen, umso geringer war das Ertragsniveau des geprüften Sortiments. An beiden Standorten war für den Prüfzeitraum der Zusammenhang zwischen Kornertrag und der klimatischen Wasserbilanz für die Monate April bis Juni signifikant. Eine zusätzliche Bewertung anhand der Sortentypen zeigte, dass die Hybridsorten mit zunehmender Trockenheit (KWB <–200 mm) tendenziell höhere Erträge als die Populationssorten erzielten (Tab. 7). Eine statistisch gesicherte Auswertung auf Ebene der Sortentypen und Sorten im Einzelnen war aufgrund der mangelnden Orthogonalität der Datenbasis nicht möglich.

Abb. 3. Kornertrag von Winter­roggen in Abhängigkeit von der klimatischen Wasserbilanz an den Standorten Nuhnen und Thyrow (Landessorten­versuche Brandenburg und Sortenversuche Thyrow, 2003 bis 2011).

Die jährliche Ertragsleistung von Winterroggen am Versuchsstandort Thyrow (2003 bis 2011) ließ eine klare Differenzierung der Sortentypen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit erkennen. Die Hybridsorten waren mit einem mittleren Kornertrag von 66 dt ha^–1 signifikant (p < 0,05) ertragsstärker als die Populationssorten mit 61 dt ha^–1 bzw. die synthetischen Sorten mit 57 dt ha^–1.

Die Kombination von Ertragsleistung und Ertragsstabilität wurde ebenfalls zur Sortenbewertung herangezogen. In Abb. 4 ist die Ertragsleistung mittels Floating Checks und die Ökostabilität anhand der Ökovalenz auf Sortenebene dargestellt. Die Werte für die Ökovalenz des Sortiments erreichten mit durchschnittlich 5,5% ein mittleres Niveau. Die Hybridsorten erzielten mit Werten von über 90% Floating Checks zwar alle überdurchschnittlich hohe Erträge, jedoch bei sehr unterschiedlicher Ökostabilität. Eine Differenzierung im Hinblick auf die Ökostabilität war unabhängig von der Einteilung nach Sortentypen aufgrund der Heterogenität ausschließlich auf Sortenebene zu finden.

Abb. 4. Ökovalenz und Floating Checks für das Merkmal Korn­ertrag auf Sortene­bene (Sortenversuche Thyrow, 2003 bis 2011).

In Tab. 3 sind die Ergebnisse auf Sortenbasis aufgeführt. Die Hybridsorte Fernando wies dabei die beste Kombination von Ertragsleistung und Ökostabilität auf. Die Werte der Reaktionsparameter, welche anhand der Ökoregression berechnet wurden, lagen für alle Sorten zwischen b = 0,8 bis 1,2. Eine Einteilung der Sorten nach Intensiv- bzw. Extensivtyp erfolgt erst außerhalb dieses Bereichs. Demnach waren nur tendenzielle Unterschiede zwischen den einzelnen Sorten erkennbar.

Die Ergebnisse zum Kornertrag in Abhängigkeit von der klimatischen Wasserbilanz am Standort Thyrow wurden im vorigen Ergebnisteil im Vergleich zum Standort Nuhnen aufgeführt (vgl. Abb. 3).

Weiterhin ergaben die Ergebnisse für alle drei Sortentypen die gleiche Rangordnung der Variationsanteile von Ertragskomponenten an der Ertragsvariabilität: Bestandesdichte > Kornzahl je Ähre > Tausendkornmasse. Die Merkmale Bestandesdichte und Kornzahl je Ähre sind im Vergleich zur Tausendkornmasse wichtiger für den Korn­ertrag und stärker umweltvariabel. Auf Sortenebene ergaben sich für die Bestandesdichte und die Kornzahl je Ähre sehr hohe Variationsbreiten der Ökovalenzwerte, bei der Tausendkornmasse schwankten die Ökovalenz­werte des Sortiments dagegen nur geringfügig (vgl. Tab. 6). Sorten mit geringen und instabilen Merkmals­ausprägungen der Bestandesdichte und Kornzahl je Ähre können daher als wesentliche Ursachen für verminderte und instabilere Ertragsleistungen auf Sandböden ange­sehen werden.

Im Anbau sind Sorten gefragt, die sich durch eine gute Ertragsbildung auch unter Hitze- und Trockenbedingungen auszeichnen. Den Sortenertrag in Abhängigkeit von der klimatischen Wasserbilanz (Zeitraum April bis Juni) zu setzen, ermöglicht die Ertragsrelationen innerhalb des geprüften Sortiments unter wasserlimitierten Standortbedingungen zu bewerten und die Sortenbewertung zu ergänzen. Dieser Zusammenhang konnte anhand der positiven Korrelationen zwischen der klimatischen Wasserbilanz und dem Kornertrag für die Standorte Nuhnen und Thyrow belegt werden. Als Ergebnis der geprüften Umweltbedingungen bzw. Sortimente wurden ca. 20 dt ha^–1 Mehrertrag bei 150 mm geringerem Defizit in der klimatischen Wasserbilanz für den Zeitraum April bis Juni erreicht. Stark negative Einflüsse auf die Ertrags­leistung von Winterroggen gehen von überdurchschnittlich hohen Temperaturen in den Monaten April bis Juni aus (Chmielewski, 1992). Hier werden die wichtigen Entwicklungsstadien Schossen, Ährenschieben und Blüte durchlaufen, daher ist eine ausreichende Wasserversorgung in diesem Zeitraum hinsichtlich der Ertragsbildung entscheidend (Gupta et al., 2001). Die Frage, ob Hybridsorten auch unter trockenen Witterungsbedin­gungen eine höhere Ertragsfähigkeit bieten, konnte wie folgt beantwortet werden: Durch die effiziente Nutzung vor allem des auf grundwasserfernen Sandstandorten limitierten Wassers schienen einzelne Sorten auch in trockenen Jahren besser angepasst zu sein und waren zu überdurchschnittlichen Ertragsleistungen fähig. Allerdings sind diese Ergebnisse aufgrund der fehlenden Orthogonalität und des zu geringem Umfanges der Datengrundlagen nicht statistisch abgesichert. Die tendenziell höhere Ertragsleistung von Hybridsorten gegenüber Populationssorten, insbesondere unter trockener Witterung, kann durch eine erhöhte Wüchsigkeit bedingt sein, welche sich in einer höheren Wurzelleistung, verbessertem Wasseraneignungsvermögen und größerer Regenerationsfähigkeit zeigen kann (Miedaner und Geiger, 1997). Auch eine intensivere und tiefere Bodendurchwurzelung, welche die Saugspannung und damit auch die Wasserversorgung verbessern kann, könnte dazu beitragen (Zachow und Miegel, 2001; Möller, 2002).

Eine weitere Fragestellung bezog sich auf die Öko­stabilität auf Sortenebene. Im Ergebnis der Sortenver­suche war eine große Heterogenität festzustellen. Sorten mit hervorragender Ökostabilität und Sorten mit äußerst instabilem Ertragsverhalten konnten ausgewiesen werden. Die Hybridsorten zeigten dabei die geringsten und höchsten Werte für die Ökovalenz, wie z.B. Treviso mit 1,8% und Visello mit 10,5% (vgl. Tab. 3). Die Ökovalenz­werte der Populationssorten und Synthetischen Sorten wiesen dagegen geringere Variationsbreiten auf, lagen aber im Vergleich zu den Hybridsorten im Mittel des geprüften Sortiments auf einem etwas höheren Niveau (vgl. Abb. 4). Anhand der Ökoregression zeigte nur die Hybridsorte Balistic mit b = 1,32 eine markante Abweichung (b ≥ 1,2) vom mittleren Ertragsverhalten. Diese Sorte kann daher zu den Intensivsorten gezählt werden, was die hohe Ertragsfähigkeit mit 96% Floating Checks zusätzlich belegt (vgl. Tab. 2). Die Ertragsrelationen innerhalb des geprüften Sortiments unter wasserlimitierten Standortbedingungen konnte durch die Abhängigkeit des Kornertrags von der klimatischen Wasserbilanz (Zeitraum April bis Juni) ergänzt werden. Aufgrund der nicht orthogonalen Datenlage war allerdings keine statistisch abgesicherte Aussage auf Sortenebene möglich. Für weitergehende Aussagen bezüglich einzelner Sorten wären eine mehrjährige orthogonale Sortenprüfung und vor allem detaillierte langjährige Witterungsdaten von jedem Prüfstandort essentiell.

Abschließend muss für die verwendete Datengrund­lage und Methodik folgendes angemerkt werden: Für die verwendete nicht-orthogonale Datengrundlage gilt, dass die Schätzwerte für die Sorten aufgrund der hohen Genotyp-Umwelt-Interaktion einen relativ großen Fehler besitzen, da die Schätzung auf nur wenigen Versuchsstandorten einer Anbauregion bzw. auf Versuchsergebnissen aus wenigen Jahren beruhten (Piepho und Michel, 2001). Diesbezüglich sind aus den Ergebnissen keine allgemein gültigen Aussagen abzuleiten, sondern sie sind nur im Verhältnis zueinander gültig. Ein Vergleich mit anderen Sorten und anderen Prüfumwelten kann zu einer abweichenden Bewertung führen. Weiterhin zeigten Sorten mit erhöhten Schwankungen nicht schlechthin eine größere Varianz, sondern wiesen zum Teil gehäuft Ausreißer (z.B. Auswinterungsprobleme) auf. Daher ist eine Einzeljahresanalyse der Sortenleistungen ebenfalls sehr wichtig.

Durch eine erweiterte Auswertung bestehender experimentell gewonnener Daten kann die Sortenbewertung verfeinert werden. Die geprüften Sortimente bieten ein breites Spektrum an Sorten, welches zum Teil erhebliche Unterschiede hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Öko­stabilität aufweist. Allerdings liefern nur mehrjährige und mehrortige Sortenversuche die solide Basis für eine gezielte Sortenwahl. Die Implementierung einer Datenbank wäre wünschenswert, welche Wetterdaten, Standortangaben und Sortenergebnisse von Seiten der Züchter, der offiziellen Wertprüfungen sowie den Landessortenprüfungen zusammenfasst. Unter einheitlicher Verwendung des vorgestellten Bewertungsschemas könnte das eine umfassende und regionalisierte Auswertung zur Ökostabilität auf Sortenebene ermöglichen und die Sortenwahl in der landwirtschaftlichen Praxis unterstützen. Landwirte könnten bei der Sortenwahl nicht nur auf die Leistungsfähigkeit, sondern auch auf die Ökostabilität einer Sorte achten. Im Hinblick auf die klimatischen Veränderungen könnte dies dazu beitragen, die Anbaurisiken von Winterroggen und anderen Pflanzenarten auf den Diluvialstandorten in Brandenburg zu verringern.