Management and drought effects on growth and herbage yield of Tall Wheatgrass (Agropyron elongatum) for biogas production in Central Europe

by Michael Dickeduisberg
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-02-12
Date of issue:2018-07-31
Advisor:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Harald Laser
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6979

 

 

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Abstract

English

Climate change clearly influences agricultural production. Most scientific studies for climate change in Central Europe predict the scarcity of water and a changed distribution of precipitation that will lead to increased periods of drought in the coming decades. Biogas is expected to contribute to climate change. However, the yields of energy crops and other crops are predicted to be more volatile and to decrease, in general, on the regional level because of climate change. In addition, maize has an outstanding share on substrata for biogas production. This results in the reduced diversity of crop rotations and ecological problems, due to a high share of maize cultivation for biogas production, and are in the focus of public criticism. Hence, there is a need for alternative and cost-efficient biogas feedstock. The perennial crop tall wheatgrass (Agropyron elongatum (Host) P. Beauv.) is already grown as a drought-tolerant forage crop on many continents, is considered to better protect soil than maize and has been shown to achieve good qualities as a biogas substrate in preliminary trials. This study was aimed at answering questions about the drought resistance and resilience that has not been examined so far, solving germination problems observed under practical conditions, and giving expertise in optimising cutting management under Central European environmental conditions. In a series of experiments in a climate cabinet, in containers and in the field, two to four cultivars of different continental origins were compared and evaluated under various test terms. Initially, a germination test was set up under controlled conditions in a climate cabinet. It was assumed that germination is inhibited by long durations of drought and too low temperatures. For that purpose, four provenances were submitted to three different pre-treatments (prechilling, hydropriming, nitrate-treatment), periodical illumination or complete darkness, and three temperature regimes (constant 10 °C, constant 20 °C, 10 °C/20 °C alternating temperatures) to test the effects on germination. In addition, three levels of drought stress (0 MPa, -0.1 MPa, -1 MPa) were induced. Intense drought of -1 MPa was the main effect on germination and clearly reduced germination that could only partly be mitigated by fluctuating temperatures and darkness. Approximately 90% of the seeds germinated in slight drought (-0.1 MPa) and in the control treatment (0 MPa). The effect of the provenance on germination was significant but circumstantial. The germination speed was positively influenced by priming and rising temperature. A container experiment (30 dm³) was started to evaluate drought resistance and subsequent resilience of two cultivars of tall wheatgrass and a common cultivar of native tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.). The grass species were expected to adapt differently to drought and show different reactions of biomass production in the subsequent period of resilience. Therefore, the water availability of medium clayey silt was varied in three levels of 90% field capacity (-0.013 MPa), 67% field capacity (-0.1 MPa) and 46% field capacity (-0.316 MPa) in an outdoor-climate greenhouse. All plants grew over the winter period until the first defoliation in spring. Afterwards, water availability was varied between drought treatments and was held constant for approximately two months until the first regular harvest. In the subsequent period of three months up to the final harvest, all of the plants remained at 90% field capacity. The water consumption as a function of transpiration was monitored daily. The evaporation was controlled by covering the soil. The results showed that tall wheatgrass was better adapted to intense drought than tall fescue by better exploitation of the available water. The water use efficiency of tall wheatgrass was significantly higher than that of tall fescue. Up to 7.2 g DM were produced by tall wheatgrass per litre of water, whereas tall fescue did not gain more than 5.4 g DM of over-ground biomass under severe drought. Depending on the cultivar, tall wheatgrass as well as tall fescue could use full water availability and gain high biomass yields. In contrast, tall wheatgrass achieved higher biomass yields than tall fescue in the period of resilience after severe drought. A field trial was conducted to prove the hypotheses of higher biomass yields in Central Europe by reduced cutting height and adapted cutting-frequency compared to the commonly used harvest management on farms. Therefore, the effect of seed provenance (4 provenances), cutting frequency (1, 2, 4 cuts per year) and cutting height (5 cm, 10 cm, 15 cm) were tested. Across two harvest years, the biomass yield increased under deeper defoliation (5 – 10 cm) compared to the typically chosen cutting height (15 cm) on the farms. In contrast, the specific methane content decreased significantly by clipping closer to the ground (1.4%).Thereby, the growth stage and maturity at single harvests were more important for the specific methane content than the cutting height. Hence, the one-cut system was unsuitable for biogas fermentation. The highest methane yields were attained under two annual harvests, where dry matter yields reached up to 21.3 t DM/ha, even though specific methane content was higher under more frequent harvests. As shown by the field trial, a reduced clipping height is suitable for biogas production. Increasing biomass and methane yields improves the profitability of tall wheatgrass. In summary, the relative drought-tolerant crop, tall wheatgrass, allows stabilisation of the biogas substrate yields in low-precipitation regions and in areas with risk of intense drought periods. Under the terms of predicted climate change in Central Europe, the relative excellence of cultivating tall wheatgrass will increase. The study has shown that optimising the cutting management increases the yield performance of tall wheatgrass and improves the competitiveness with other energy crops. Hence, a serious alternative to maize has been found that should be developed further. More insight is needed into cultivar-specific differences in germination, drought tolerance, and capability of gaining high and constant yields to determine the best-suited cultivar for different sites. Furthermore, planting the permanent crop, tall wheatgrass, is considered to mitigate nitrate leaching into the ground water, contribute to water pollution control, and upgrade agricultural biodiversity. This potential should be under consideration in further research.
Keywords: Tall Wheatgrass; Biogas; Germination; Drought resistance; Harvest

German

Die überwiegende Zahl der Prognosen für den Klimawandel in Mitteleuropa sieht für die kommenden Jahrzehnte zunehmende Dürrephasen und eine veränderte Niederschlagsverteilung voraus. Die Produktion von Biogas soll einen Beitrag zum Klimaschutz leisten, doch wird der Anbau von Energiepflanzen ebenso wie der anderer Kulturen von den Folgen des Klimawandels betroffen sein und zu regionalen Ertragsrückgängen und steigenden Ertragsunsicherheiten führen. Derzeit hat der Mais einen überragenden Anteil an der Substratbereitstellung für die Biogaserzeugung. Die dadurch verengten Fruchtfolgen und negativen ökologischen Konsequenzen werden öffentlich kritisiert. Folglich werden alternative, kostengünstige Anbausubstrate benötigt. Das mehrjährige Riesenweizengras (Agropyron elongatum (Host) P. Beauv.) wird als trockentolerante Futterpflanze bereits auf vielen Kontinenten angebaut, gilt als bodenschonender im Vergleich zu Mais und erzielte in Vorversuchen gute Eigenschaften als Biogassubstrat. Diese Studie soll bisher nicht geklärte Fragen der Trockentoleranz beantworten, zur Lösung der in der Praxis beobachteten Keimungsprobleme beitragen und Erkenntnisse darüber liefern, wie das Schnittmanagement unter mitteleuropäischen Anbaubedingungen optimiert werden kann. In einer Serie von Klimaschrank-, Gefäß- und Feldexperimenten wurden jeweils zwei bis vier Sorten unterschiedlicher kontinentaler Herkunft unter den diversen Versuchsbedingungen vergleichend geprüft. Unter kontrollierten Bedingungen wurde im Klimaschrank ein Keimungsversuch angelegt. Es wurde angenommen, dass die Keimung durch Trockenheit und niedrige Temperaturen beeinträchtigt wird. Vier Herkünfte wurden drei verschiedenen Vorbehandlungen unterzogen (Stratifikation, Hydropriming, Nitratbehandlung) und bei periodischer Beleuchtung oder vollständiger Dunkelheit in drei Temperaturregimen (konstant 10 °C, konstant 20 °C, 10 °C/20 °C Wechseltemperatur) zur Keimung gebracht. Während der Keimungsphase wurde Trockenstress in drei Stufen (0 MPa, -0,1 MPa, -1 MPa) über das Keimungsmedium induziert. Intensiver Trockenstress von -1 MPa hatte den größten Effekt auf die Keimung und reduzierte sie deutlich, dieser Effekt wurde durch Wechseltemperaturen in Dunkelheit abgeschwächt. Bei leichtem Trockenstress (-0,1 MPa) und in der Kontrollvariante (0 MPa) lag die Keimungsrate bei ca. 90%. Die Sortenwahl hatte ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die Keimung, war jedoch hinsichtlich des Ausmaßes von untergeordneter Bedeutung. Durch Saatgutvorbehandlung und steigende Keimtemperatur wurde die Keimungsgeschwindigkeit positiv beeinflusst. In einem Gefäßversuch (30 dm³ Volumen) wurde die Trockentoleranz und das anschließende Regenerationsvermögen von zwei ausgewählten Sorten Riesenweizengras mit einer in der Praxis gebräuchlichen einheimischen Sorte Rohrschwingel (Festuca arundinacea Schreb.) verglichen. Es wurde erwartet, dass hinsichtlich der Reaktion auf Trockenheit sowie der Ertragsbildung in der folgenden Regenerationsphase unterschiedliche Ausprägungen der getesteten Grasarten beobachtet werden können. Dazu wurde in einem Außenklimagewächshaus das Wasserangebot in tonigem Schluff in den drei Stufen 90% Feldkapazität (-0,013 MPa), 67% Feldkapazität (-0,1 MPa) und 46% Feldkapazität (-0,316 MPa) variiert. Die Pflanzen wurden über Winter angezogen und erhielten nach einem ersten Schnitt im Frühjahr eine für ca. zwei Monate unterschiedliche Wasserversorgung. Nach erneuter Ernte wurden alle Varianten bis zur abschließenden Ernte drei Monate später auf 90% Feldkapazität bewässert. Der Wasserverbrauch durch Transpiration wurde täglich ermittelt. Verluste durch Evaporation wurden mittels einer Schutzauflage unterbunden. Die Ergebnisse zeigten, dass Riesenweizengras vorhandenes Wasser besser ausnutzen konnte als Rohrschwingel und somit besser an starken Trockenstress angepasst ist. Die Wassernutzungseffizienz je Liter Wasser lag mit bis zu 7,2 g Trockenmasse (TM) über der von Rohrschwingel (5,4 g). In Abhängigkeit von der Sorte konnte Riesenweizengras eine gute Wasserverfügbarkeit ebenso wie Rohrschwingel durch hohe Biomasseerträge ausnutzen. Auf starken Trockenstress reagierte Riesenweizengras mit höherer Wassernutzungseffizienz und höheren Biomasseerträgen in der Regenerationsphase als Rohrschwingel. In einem mehrjährigen Feldversuch wurde die Hypothese geprüft, dass durch die Reduktion der Schnitthöhe und eine angepasste Schnitthäufigkeit die Riesenweizengraserträge unter mitteleuropäischen Bedingungen gegenüber den in der Praxis üblichen bzw. empfohlenen Nutzungen gesteigert werden können. In einem dreifaktoriellen Versuchsdesign wurde der Einfluss der Faktoren Saatgutherkunft (4 Herkünfte), Schnittfrequenz (1, 2, 4 Schnitte je Jahr) und Schnitthöhe (5 cm, 10 cm, 15 cm) geprüft. Über zwei Nutzungsjahre hinweg waren bei verringerter Schnitthöhe (5 – 10 cm) die Erträge gegenüber der üblichen Schnitthöhe (15 cm) erhöht. Dem entgegen nahmen die spezifischen Gasausbeuten mit tieferen Schnitten geringfügig aber signifikant ab (1,4 %). Dabei war die Gasausbeute weniger von der Schnitthöhe als vielmehr vom Entwicklungsstadium des Erntegutes abhängig, weshalb sich insbesondere eine einschnittige Nutzung als nicht zur Verwertung in Biogasanlagen geeignet erwies. Mit maximalen Masseerträgen der zweischnittigen Nutzung von 21,3 t TM/ha und Jahr konnten trotz leicht geringerer spezifischer Gasausbeuten als bei der Vierschnittnutzung die höchsten Methanhektarerträge erzielt werden. Der Feldversuch belegt somit, dass sich die Schnitthöhe zu Gunsten höherer Massen- und Gaserträge reduzieren lässt, was die Rentabilität des Anbaus verbessern kann. Zusammenfassend haben die Versuche gezeigt, dass Riesenweizengras als relativ trockentolerante Kultur eine Möglichkeit bietet in niederschlagsarmen Regionen oder von periodischer Niederschlagsarmut bedrohten Anbaugebieten relativ stabile Erträge zu erzielen. Unter den Bedingungen des für Mitteleuropa prognostizierten Klimawandels dürfte die relative Vorzüglichkeit des Anbaus dieser Kultur demnach noch zunehmen. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Optimierung des Schnittmanagements die Ertragsleistung erhöht und die Wettbewerbsfähigkeit des Anbaus gegenüber anderen Energiepflanzen verbessert werden kann. Somit liegt mit dieser Kultur eine ernsthafte Anbaualternative zu Mais vor, deren Anbau noch weiter verbessert werden kann. Sortenunterschiede in Keimung, Trockentoleranz und Ertragsfähigkeit müssen weiter ausdifferenziert werden, um standortoptimale Anbauentscheidungen treffen zu können. Perspektivisch kann die Dauerkultur Riesenweizengras dem Problem der Nitratverlagerungen ins Grundwasser entgegenwirken und somit aktiv zum Gewässerschutz beitragen sowie einen Beitrag zur Steigerung der Agrarlandbiodiversität leisten. Diese Potentiale sollten in folgenden Untersuchungen bewertet werden.
 
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