Zur Ökostabilität von Winterweizensorten unter Standortbedingungen Brandenburgs

Yield stability of winter wheat grown in Brandenburg

Material und Methoden

Ein zentraler Punkt war die Berechnung der Öko­valenz für ausgewählte Sorten. Die Ökovalenz geht auf Wricke (1962) zurück und ist eine Maßzahl für die Ökostabilität einer Sorte, aus der sowohl Aussagen zur Stabilität der Merkmalsausprägung von Sorten als auch Einschätzungen verschiedener Umwelten abgeleitet werden können. 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). Hierfür wurden ausgehend vom Prüffaktor-Umwelt-Modell die Wechselwirkungseffekte Sorte × Umwelt geschätzt, die dann quadriert und über die Stufen des jeweils anderen Faktors summiert den Anteil der Sorte bzw. Umwelt an der Wechselwirkungs-SQ ausmachen. Die Berechnung der Ökovalenz erfolgte nach Thomas (2006):

Legende: i = 1... a Prüfglieder und j = 1... b Umwelten

Zur Erfassung der sortenspezifischen Reaktion auf verschiedene Umweltbedingungen diente das Verfahren der linearen Regressionsanalyse nach Eberhart und Russell (1966). Die Berechnung der Umweltmittelwerte erfolgte auf Grundlage von Umwelt-Indizes nach Becker und Leon (1988). Für die fachliche Interpretation wurden der Regressionskoeffizient b (Reaktionsparameter) und der Stabilitätsparameter s genutzt. Der Reaktionsparameter gibt Hinweise darauf, ob Sorten dem Extensivtyp oder dem Intensivtyp zuzuordnen sind. Diese können nach Haufe und Geidel (1978) wie folgt differenziert werden: Extensivtypen weisen einen Reaktionsparameter von b < 0,8 auf und können demnach günstigere Umweltbedingungen im Vergleich zum Gesamtsortiment schlechter in Ertrag umsetzen. Sorten mit einem Reaktionsparameter von b > 1,2 werden zu den Intensivtypen gezählt und können günstigere Umweltbedingungen auch überdurchschnittlich gut in Ertrag umsetzen, fallen aber unter ungünstigeren Umweltbedingungen im Vergleich zum Sortiment ertraglich zurück. Zur Beurteilung der Stabilität einer Sortenleistung wird der Stabilitätsparameter s herangezogen, welcher anhand der Abweichungsquadratsumme die jeweilige Streuung um die Regressionsgerade beschreibt (Finlay und Wilkinson, 1963). Je geringer der Stabilitätsparameter s ausfällt, desto stabiler ist die Sortenleistung.

Die Floating-Checks-Methode von Jensen (1976), als drittes Verfahren, ermöglichte die Bewertung der Leistungsfähigkeit einer Sorte in einem bestimmten Merkmal. Für alle Umwelten wurden die Sorten mit der höchsten Leistung bestimmt und anschließend ein Mittelwert dieser Höchsterträge berechnet. Dieser Mittelwert entsprach 100%. Die Sortenmittelwerte über alle Umwelten wurden ins prozentuale Verhältnis zum durchschnittlichen Höchstertrag gesetzt. Je mehr sich eine Sorte dem Wert 100% näherte, desto höher war ihre Leistung über alle Umwelten bzw. im Vergleich zum geprüften Sortiment.

Im Rahmen einer Varianzkomponentenanalyse wurden zudem verschiedene Einflussgrößen auf die Ertrags­variabilität berechnet. Zur Beurteilung der Einflussgröße verschiedener Prüfmerkmale (Kornertrag und Ertragsstrukturmerkmale) wurden im Rahmen der Varianzanalyse die Anteile der Prüffaktoren (Jahr, Standort, Sorte) an der Merkmalsvariabilität bestimmt. Die Varianzana­lyse basierte auf einem gemischt linearen Modell, wobei der Jahreseffekt als zufälliger Faktor sowie Standort und Sorte als fixe Faktoren behandelt wurden. Die Variation der Merkmalswerte wurde dazu in ihre Streuungsanteile zerlegt und als Summe der Abweichungsquadrate (SQ) ausgewiesen (Thomas, 2006). Zur Bestimmung der relativen Variationsanteile wurden die SQ der jeweiligen Variationsursache zur Gesamtsumme SQ Total (= 100%) ins Verhältnis gesetzt. Das Verfahren ermöglicht es, die Anteile der Variationsursachen an der Variabilität von Kornertrag und Ertragskomponenten aufzuschlüsseln und zu quantifizieren. Um von der Größe der SQ-Werte auf eine Signifikanz schließen zu können, wurde anschließend ein F-Test der mittleren Abweichungsquadrate (MQ-Werte) durchgeführt (α ≤ 0,05).

Weiterhin wurde die Sortenreaktion auf trocknere Witterungsbedingungen geprüft. Die Ertragsbildung wird im Zeitraum April bis Juni signifikant von der Evapo­transpiration (Chmielewski und Köhn, 2000), dem Niederschlag und der Temperatur beeinflusst (Chmielewski, 1992). Zur Sortenbewertung wurde der Kornertrag in Beziehung zur klimatischen Wasserbilanz im Zeitraum April bis Juni gesetzt. Die Auswertung bezieht sich auf den Kornertrag im Mittel des geprüften Sortiments in Abhängigkeit von der klimatischen Wasserbilanz (KWB) an der LSV-Prüfstation Nuhnen (2003 bis 2009, für Datengrundlage A) und am Versuchsstandort Thyrow (2003 bis 2011, für Datengrundlage B). Die klimatische Wasserbilanz wurde aus der Differenz zwischen Niederschlagshöhe und Höhe der potentiellen Verdunstung (Verfahren nach Haude, 1955) je Standort für die Zeitspanne April bis Juni berechnet. Die Einbeziehung des Haude-Faktors (Löpmeier, 1994) ermöglichte die Anpassung der Gleichung an unterschiedliche Wachstums- und Entwicklungszeiträume der Fruchtart. Der Kornertrag des geprüften Sortiments wurde in Abhängigkeit von der klimatischen Wasserbilanz mittels linearer Regression berechnet. Aufgrund des zu geringen Datenumfangs bzw. der nicht ausreichend orthogonal geprüften Sorten, konnte diese Auswertung nur für das Sortimentsmittel erfolgen und nicht auf Sortenebene.

Die Datengrundlagen A und B beinhalteten keinen orthogonalen Sortenkern über den gesamten Prüfzeitraum und waren somit unbalanciert (Piepho und Möhring, 2005). Der Adjustierungsprozess basierte deshalb vorrangig auf direkten Sortenvergleichen. Zusätzlich ermöglichten Verrechnungsblöcke über andere Sorten einen indirekten Vergleich über Brücken (Piepho et al., 2011). Die Auswertung erfolgte auf Grundlage der Versuchs­mittelwerte.

Die Durchführung der deskriptiven Statistik, linearen Regressionsanalyse und Varianzkomponentenanalyse erfolgten mit dem Programm SPSS Statistics 17.0. Die Berechnung der Ökovalenz, Floating Checks und die Diagrammerstellung (Boxer-Whisker-Plot, lineare Regression) erfolgten mit dem Programm Microsoft Office Excel 2010.

Ergebnisse

Abb. 1. Box-Whisker-Plot der jährlichen Ertragslei­stung des ausgewählten Sortiments von Winter­weizen; n = Anzahl Sor­ten; gruppiert nach Jahren (Landessorten­versuche Brandenburg, 2003 bis 2011).

Box and whisker plot showing the annual yield of the selected winter wheat varieties; n = number of varieties; grouped by year (Bran­denburg regional varie­ty trials, 2003 to 2011).

In Tab. 2 sind die Ergebnisse der Sorten je Qualitätsgruppe für das Merkmal Kornertrag dargestellt. Es bestanden große Sortenunterschiede in der Leistungsfähigkeit und der Ökostabilität, welche allerdings weitgehend unabhängig von den Qualitätsgruppen waren. Die Ökovalenz lag für das Merkmal Kornertrag mit durchschnittlich 5,4% auf einem mittleren Niveau (Skalierung nach Bätz, 1984). Die Variationsbreite der einzelnen Sorten erreichte 2,5 bis 8,4%. Allerdings wiesen nur die Sorten SW Tataros, Tiger, Toras und Drifter ein hohes Ökovalenzniveau von über 7,5% auf. Diese vier Sorten zeigten damit im Vergleich zum Gesamtsortiment eine geringere Ertragssicherheit und auch eine unterdurchschnittliche Leistungsfähigkeit (Floating Checks < 90%). Die Hybridsorte Hybred erreichte im Vergleich zu den Liniensorten die dritthöchste Ertragsfähigkeit mit 93,6% Floating Checks. Die Ertragssicherheit dieser Sorte entsprach mit einem Ökovalenzwert von 6,6% einem mittleren Niveau. Die im Vergleich höchste Ertragssicherheit in Kombina­tion mit einer überdurchschnittlichen Ertragsleistung bestand bei der A-Sorte Linus (2,5% Ökovalenz und 93,2% Floating Checks). Die Ergebnisse der linearen Regressionsanalyse wiesen bezüglich des Reaktionsparameters keine Auffälligkeiten auf. Alle geprüften Sorten lagen mit b = 0,8 bis 1,2 im Normalbereich und wiesen daher keine Tendenz zu Extensiv- oder Intensivtypen auf.

In Tab. 6 sind die Ökovalenzwerte der Ertragsstrukturparameter und des Rohproteingehalts von Winterweizen 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 die Merkmale Tausendkornmasse und Rohproteingehalt lagen die Ökovalenzwerte im Mittel des geprüften Sortiments dagegen auf einem geringen Niveau. Im Vergleich der Ertragsstrukturmerkmale fielen die Sortenunterschiede gering aus, was auch auf die Differenzierung zwischen den Qualitätsgruppen in diesen Merkmalen zutraf.

Die Einflussgrößen verschiedener Faktoren auf die Variabilität des Kornertrags, der Ertragsstruktur und des Rohproteingehalts von Winterweizen sind in Tab. 4 aufgeführt. Der Faktor Sorte erreichte einen signifikanten Einfluss auf die Ertragsvariabilität von 2,3%. Auch der Rohproteingehalt war mit 21,4% signifikant von der Sorte beeinflusst. Im Ergebnis einer separaten Varianz­analyse (Tab. 5) fiel der Einfluss des Faktors Qualitätsgruppe auf den Kornertrag mit 0,1% sehr gering aus, während der Rohproteingehalt zu 11,2% signifikant durch diesen Faktor geprägt wurde.

In Abb. 2 ist der Kornertrag in Abhängigkeit von der klimatischen Wasserbilanz im Mittel aller geprüften Weizensorten an den Standorten Nuhnen und Thyrow dargestellt. An beiden Standorten war für den Prüfzeitraum
der Zusammenhang zwischen Kornertrag und der klimatischen Wasserbilanz für die Monate April bis Juni signifikant. Je weiter die Werte der klimatischen Wasserbilanz im negativen Bereich lagen, umso geringer war das Ertragsniveau des geprüften Sortiments. Am Standort Thyrow gingen die Kornerträge von 60 dt ha^–1 unter relativ günstigeren Witterungsbedingungen (KWB = –120 mm) bis auf 25 dt ha^–1 unter zunehmend trockneren Witterungsbedingungen (KWB = –210 mm) zurück. Eine statistisch gesicherte Auswertung auf Ebene der Qualitätsgruppen und Sorten im Einzelnen war aufgrund der mangelnden Orthogonalität der Datenbasis allerdings nicht möglich.

Abb. 2. Kornertrag von Winter­weizen in Abhängigkeit von der klimatischen Wasserbilanz an den Standorten Nuhnen (Landessortenversuche Brandenburg, 2003 bis 2009) und Thyrow (Sorten­versuche Thy­row, 2003 bis 2011).

Grain yield of winter wheat depen­ding on cli­matic water balance at Nuhnen (Brandenburg regional variety trials, 2003 to 2009) and Thy­row (Thyrow variety tri­als, 2003 to 2011) sites.

In Tab. 3 sind die Ergebnisse der Sorten je Qualitätsgruppe für das Merkmal Kornertrag dargestellt. Die Ökovalenz des Sortiments erreichte mit durchschnittlich 6,5% ein mittleres Niveau. Eine Differenzierung im Hinblick auf die Ökostabilität war unabhängig von der Einteilung nach Qualitätsgruppen aufgrund der Heterogenität ausschließlich auf Sortenebene zu finden. Die Spanne der Ökovalenzwerte von 4 bis 10% belegt die erheblichen Unterschiede in der Ökostabilität der einzelnen Sorten. Für den Standort Thyrow können die A-Sorten Akratos, Ludwig und Toras sowie die B-Sorte Drifter als ertragsstabil eingestuft werden. Bei diesen Sorten lag die Ökovalenz auf einem geringen Niveau. Die A-Sorte Akratos zeigte eine günstige Kombination aus sicherer und guter Ertragsleistung (Floating Checks: 91%), die B-Sorte Hybred als Hybridsorte erreichte mit 96,8% die höchste Leistungsfähigkeit. Die Werte der Reaktionsparameter, welche anhand der linearen Regression berechnet wurden, lagen für den überwiegenden Teil der Sorten zwischen b = 0,8 und 1,2. Die B-Sorte Mulan und die beiden A-Sorten Brilliant und Toras wiesen Reaktionsparameter von b < 0,8 auf und zeigten damit eine Tendenz zum Extensivtyp. Die B-Sorte Ephoros und die A-Sorte Cubus erreichten Reaktionsparameter von b > 1,2, die in der Tendenz auf einen Intensivtyp hinweisen.

Die Auswertung zu den verschiedenen Einflussgrößen auf die Ertragsvariabilität zeigte am Standort Thyrow die folgenden Ergebnisse: Für den Faktor Jahreswitterung konnte ein signifikanter Einfluss auf den Kornertrag von 82,0% festgestellt werden. Der Einfluss des Faktors Sorte auf die Höhe des Kornertrages von Winterweizen fiel mit 10,9% ebenfalls signifikant aus. Die Wechselwirkungen zwischen den Faktoren Jahreswitterung und Sorte erreichten 7,1%, waren aber im F-Test (p < 0,05) nicht signifikant. Für den Faktor Qualitätsgruppe konnte kein signifikanter Einfluss auf den Kornertrag festgestellt werden.

Die Abhängigkeit des Kornertrages von der klima­tischen Wasserbilanz am Standort Thyrow wurde bereits im vorigen Abschnitt im Vergleich zum Standort Nuhnen aufgeführt und ist in Abb. 2 dargestellt.

Eine weitere Fragestellung bezog sich auf die Sorten­reaktion in verschiedenen Umwelten, welche im geprüften Sortiment ebenfalls eine große Heterogenität zeigte. Die A-Sorte Brilliant erreichte in den LSV durchschnitt­liche Ergebnisse hinsichtlich Leistung und Stabilität im Kornertrag. In den Ergebnissen am Standort Thyrow zeigte sich Brilliant ebenfalls mit durchschnittlichem Kornertrag, war allerdings mit einer Ökovalenz von 9,6% weniger ertragsstabil. Die A-Sorte Akratos zeigte in den LSV ebenfalls durchschnittliche Ergebnisse im Korn­ertrag (Ökovalenz und Floating Checks), hob sich jedoch in den Sortenversuchen am Standort Thyrow positiv in ihrer Ertragsleistung und Ökostabilität vom restlichen Sortiment ab. Die relativ höheren Kornerträge von Akratos resultierten demnach aus den im Vergleich zum übrigen Sortiment offenbar geringeren Standortansprüchen. Die verschiedenen Reaktionsrichtungen dieser beiden Sorten können allein anhand der Reaktionsparameter (Ökoregression) nicht abgeleitet werden (Akratos b = 1,0 und Brilliant b = 0,9). Die Aussage zur Ertragsleistung und Ökostabilität einer Sorte bedarf demnach einer umfassenden Prüfung. Besondere Standortbedingungen sollten daher separat untersucht und die Sorte mit entsprechend differenzierter Bewertung ausgewiesen werden.

Auf den Prozess der Ertragsbildung wirken verschie­dene Einflussfaktoren, die sich in der Ertragsvariabilität widerspiegeln. Den größten Anteil an der Ertragsvaria­bilität besitzen die Umweltfaktoren Boden und Jahreswitterung bzw. deren Wechselwirkung. Am Standort Thyrow war die Jahreswitterung mit 82% die wichtigste Größe, die den Kornertrag beeinflusste. Der Faktor Sorte war dagegen nachgeordnet und erreichte 11%. Die Wahl einer standortangepassten Sorte ist demzufolge eine vom Anbauer beeinflussbare Möglichkeit, hohe und stabile Erträge zu erzielen.

Weiterhin ergab sich folgende 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 stärker umweltvariabel. Beide Merkmale zeigten sortenabhängig eine stärkere Differenzierung in der Ökovalenz, während die der Tausendkornmasse geringer blieb. Sorten mit geringerer und instabilerer Ausprägung von Bestandesdichte und/oder Kornzahl je Ähre können daher als eine Ursache für verminderte und unsicherere Ertragsleistungen auf Sandböden angesehen werden. Großkörnigere Sorten können demzufolge auf derartigen Standorten tendenziell vorteilhaft sein.

Im Weizenanbau überwiegen in Deutschland bisher Liniensorten, obwohl auch einige Hybridsorten zugelassen sind. Dies ist zum Teil auf den im Vergleich zu Fremdbefruchtern schwächeren Heterosiseffekt und die dadurch relativ geringere Mehrleistung der Hybrid- gegenüber den Liniensorten zurückzuführen (Longin et al., 2012). In der vorliegenden Arbeit konnte aufgrund des geringen Prüfumfangs von Hybridsorten nur für die Sorte Hybred eine Aussage getroffen werden. Hybred zählt zu den Kompensationstypen und erreichte in den Sorten­versuchen am Standort Thyrow mit 97% Floatings Checks die höchste Ertragsfähigkeit. In den LSV zeigte sie ebenfalls eine überdurchschnittliche Ertragsleistung. Die Ertragsstabilität wurde in beiden Sortenversuchen als mittel eingestuft (Ökovalenz: 6%). Inwieweit sich der Anbau von Hybridsorten unter trockeneren Witterungsbedingungen und auf sandigen Böden durchsetzt, hängt in besonderem Maße von der Rentabilität des Anbaus und dem Züchtungsfortschritt bei Linien- und Hybrid­sorten ab. Aussagen zum Ertragsvergleich zwischen beiden Sortentypen sowie zur Ertragsstabilität wären dann wünschenswert.

Im Weizenanbau sind Sorten gefragt, die sich durch eine gute Ertragsbildung auch unter Hitze- und Trockenbedingungen auszeichnen. Die Korrelation der sortenspezifischen Kornerträge zur klimatischen Wasserbilanz (Zeitraum April bis Juni) kann daher die Sortenbewertung ergänzen. Die positiven Korrelationen beider Parameter an den Standorten Nuhnen und Thyrow belegen das, d.h. eine um 140 mm verbesserte klimatische Wasserbilanz im Zeitraum April bis Juni bedingte ca. 30 dt ha^–1 Mehrertrag. In diesem Zeitraum werden die wichtigen Entwicklungsstadien Schossen, Ährenschieben und Blüte durchlaufen, die hinsichtlich der Ertragsbildung besonders wassersensibel sind (Gupta et al., 2001). Aufgrund der nicht orthogonalen Datensätze war eine sortenspezifische gesicherte Aussage statistisch nicht möglich.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die Schätzungen von Sorte-Umwelt-Wechselwirkungen einen relativ großen Fehler beinhalten (Piepho und Michel, 2001). Zudem beruhen die Ergebnisse auf einer Datenbasis ausgewählter Versuchsstandorte eines Anbaugebiets bzw. auf relativ wenigen Jahren. Die Ergebnisse können daher nur für die in die Auswertung einbezogenen Sorten und Umwelten interpretiert werden.

Aufgrund der nicht-orthogonalen Datenstruktur wurden einfache und valide Methoden verwendet, welche im Ergebnis durch wenige Zahlen eindeutige Aussagen zur Sortenbewertung ermöglichen. Der vorgestellte methodische Ansatz bietet anhand von objektiven und reproduzierbaren Parametern eine Ergänzung und Präzisierung der Sortenbewertung, wodurch die regionale Sortenempfehlung in der landwirtschaftlichen Praxis unterstützt werden kann. Für die sichere Beurteilung der Ertragsstabilität unter differenzierten Standortbedingungen ist die Berechnung von Ökovalenz und Floating Checks auf Grundlage von mehrjährigen Sortenprüfungen notwendig, wobei allerdings die Praxisrelevanz aufgrund der marktbedingten raschen Sortenfluktuation eingeschränkt sein könnte. Das bestehende bundeseinheitliche „Planungs-, Informations- und Auswertungssystem Feldversuchswesen“ (PIAF) stellt differenziert nach Anbaugebieten Daten zu Sortenleistungen und Standorten aus Sortenversuchen des integrierten Prüfsystems der Bereiche Züchtung, Zulassung und Regionalberatung bereit. Eine Möglichkeit, die Sortenbewertung zu vervollkommnen, ist die Erweiterung des Systems um die Parameter der Ökostabilität und Witterungsdaten, wozu bereits Ansätze bestehen (Michel und Zenk, 2010). Im Hinblick auf klimatische Veränderungen könnte die Ausweisung von Weizensorten mit einer guten Kombination von Leistungsfähigkeit und Ökostabilität dazu beitragen, das Anbaurisiko von Winterweizen auf den Diluvialstandorten in Nordostdeutschland zu reduzieren.