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Hülsenfrüchte wurden im Laufe der Geschichte als Weide- und Heupflanzen verwendet. Es handelt sich um hochwertiges Futter, das die Gewichtszunahme der Nutztiere verbessert, Probleme mit Schwingel-Endophyten reduziert, die Weidesaison verlängert und den Eintrag von Stickstoffdünger aufgrund der Stickstoff(N)-Fixierung reduziert. Die einzigartige Assoziation von Hülsenfrüchten mit Rhizobienbakterien zur Fixierung von N ist ein oft propagierter, aber auch weitgehend missverstandener Prozess.
Die Gesamtmenge an gebundenem N hängt von der Leguminosenart und der Population im Feld ab. Die gemeldete Menge an N, die von verschiedenen Leguminosenarten aus Vollbeständen gebunden wird, ist sehr unterschiedlich. Zum Beispiel liegt der durch Haarwicke gebundene N im Bereich von 50 bis 150 Pfund pro Acre, und für Luzerne liegt der angegebene Bereich bei 128 bis 250 Pfund pro Acre (Tabelle 1). Einjährige Leguminosen wie Purpur- oder Pfeilklee fixieren N mit einer höheren Rate als mehrjährige Leguminosen, aber längere Vegetationsperioden ermöglichen es mehrjährigen Leguminosen, eine höhere Gesamtmenge an N zu fixieren.
Aufgrund der hohen potenziellen N-Menge, die aus der Fixierung verfügbar ist, werden Leguminosen als Quelle für freien N-Dünger beworben. In Arkansas durchgeführte Arbeiten zeigten, dass in Beständen mit Schwingelklee der Futterertrag bei mehreren Dünger-N-Mengen ähnlich war (Tabelle 2). Ergebnisse wie diese und ähnliche Studien haben zu dem allgemein irrigen Glauben geführt, dass Leguminosen Stickstoff binden und ihn in den Boden freisetzen, damit er von Begleitgräsern in der Mischung verwendet werden kann. Leguminosen teilen N jedoch nicht frei mit Gräsern, da dies zu mehr Konkurrenz führen würde, die das Überleben der Leguminosenpflanze gefährden würde.
Ein teurer Prozess
Die symbiotische N-Fixierung ermöglicht es Hülsenfrüchten, in einer Umgebung mit N-Mangel zu wachsen. Die Stickstofffixierung ist ein biologisch teurer Prozess sowohl für die Leguminosen als auch für die für die N-Fixierung verantwortlichen Rhizobienbakterien. Die Bakterien infizieren die Wurzeln der Hülsenfrüchte, wodurch die Wurzel einen Knoten bildet, in dem die Rhizobien leben und ihre Arbeit verrichten.
Die Rhizobienbakterien fixieren N aus der Luft im Boden und die Hülsenfrucht profitiert von dem fixierten N. Die Hülsenfrucht liefert wiederum Kohlenhydrate und Zucker aus der Photosynthese an die Rhizobien. Jeder Organismus gewinnt notwendige Nährstoffe aus der Assoziation. Die Stickstofffixierung fördert das Leguminosenwachstum direkt, ohne dass eine N-Düngung erforderlich ist. Verbessertes Graswachstum ist nur eine indirekte Wirkung der N-Fixierung.
Pflanzen verwenden N aus verschiedenen Quellen, einschließlich Schnee oder Regen, die jährlich 5 bis 10 Pfund N pro Acre beitragen können; organische Bodensubstanz (OM), die jährlich 10 bis 30 Pfund N pro Acre für jede Prozenteinheit von OM im Boden beitragen kann; Dünger oder Tiermist, der je nach Ausbringungsmenge variiert; und N durch Hülsenfrüchte fixiert.
Wenn N durch Tiermist oder Dünger ausgebracht wird, wird die N-Fixierung unterbrochen, da Hülsenfrüchte genauso wie Gräser freien N aus anderen Quellen verwenden. Allerdings sind Gräser für N konkurrenzfähiger als Leguminosen. Hülsenfrüchte haben im Allgemeinen horizontal ausgerichtete Blätter, während Gräser eher vertikal ausgerichtet sind. Wenn die Gräser durch die Zugabe von N höher werden, beschatten sie die Hülsenfrüchte. Starke Beschattung verringert auch die N-Fixierungsraten.
Die Zugabe von N hat also keine direkten negativen Auswirkungen auf die Hülsenfruchtpflanze, aber der Nettoeffekt ist eine größere Konkurrenz durch die Gräser, die die Hülsenfrüchte aus der Grasnarbe verdrängen. Eine Studie aus Arkansas zeigte, dass der prozentuale Anteil an Klee in einer Bermudagras-Klee-Sode um die Hälfte für jede zusätzliche Zugabe von N-Dünger sank (Tabelle 3).
Das meiste befindet sich im Top-Wachstum
Es ist wichtig zu beachten, dass die Wurzelknollen die Fabrik sind, aber nicht das N-Lager. Untersuchungen von Gerald Evers in Texas zeigten, dass bis zu 90 % des Stickstoffs im obersten Wachstum der einjährigen Hülsenfrüchte enthalten sind. Bei mehrjährigen Hülsenfrüchten befinden sich etwa 70 % bis 80 % des N im oberen Wachstum der Pflanze. Das Wachstum der Leguminosen enthält typischerweise etwa 2,5 % bis 4 % N, was etwa 50 bis 80 Pfund N pro Tonne Futtertrockenmasse (TS) entspricht.
In Virginia durchgeführte Arbeiten zeigten, dass ein Bestand mit 53 % Rotklee oder 59 % Luzerne, angebaut mit Rohrschwingel, genug N für einen Gesamt-DM-Ertrag von 4,7 bzw. 5,8 Tonnen pro Acre fixierte. Spitzenwachstum der Leguminosen enthielt 2,8 % bis 2,9 % N.
Drei Übertragungsarten
Wenn das fixierte N in der Pflanzenoberseite vorhanden ist und nicht frei mit Begleitgräsern im Bestand geteilt wird, wie erreicht es Gräser und andere Pflanzen in der Grasnarbe?
Es gibt drei Hauptmechanismen für die N-Übertragung. Der kleinste dieser drei Wege verläuft über Wurzel-zu-Wurzel-Kontakt und Mykorrhiza-Pilz-Assoziationen. Die anderen beiden Hauptwege sind der Pflanzen-Tier-Zyklus durch Beweidung und der Pflanzenverfall. Der mit Abstand größte Übertragungsweg ist der Kreislauf des Pflanzenmaterials durch grasende Tiere, meist oberirdisch, aber auch durch unterirdische Pflanzenfresser.
Nur eine kleine proportionale Menge des N wird im Körper des Weidetiers zurückgehalten. Bis zu 80 % bis 90 % des aufgenommenen N werden mit Urin und Kot ausgeschieden. Etwa 50 % des N im Urin gehen durch Verflüchtigung verloren.
Offensichtlich ist das System etwas undicht und nicht der gesamte gebundene N wird im Boden eingefangen. Weiterhin ist die Nutzung des ausgeschiedenen N durch Gräser von der Verteilung der Ausscheidungen über die Weide abhängig. Forscher haben gezeigt, dass jährlich nur etwa 14 % bis 22 % der Weidefläche von dieser Übertragung abgedeckt werden.
Weidemanagement und Besatzdichte beeinflussen die Verteilung. Bei niedrigen Besatzraten und in Dauerbeweidungssystemen neigen mehr Gülle und Urin dazu, sich in der Nähe von Wasser und Schatten zu konzentrieren. Bei hoher Besatzdichte und in Rotationssystemen wird mehr N über die Weide verteilt.
Auf Heuwiesen ist das anders
In Heusystemen wird der größte Teil des N-haltigen Spitzenwachstums entfernt, sodass ein sekundärer Übertragungsmechanismus ins Spiel kommt. Der zweitgrößte N-Übertragungsweg nach der Beweidung verläuft über die Pflanzenzersetzung. Wenn Pflanzen weiden lassen oder für Heu geerntet werden, sterben die Wurzeln ab, was zu abgestoßenen Knollen führt. Die normale Pflanzenreifung und -schädigung führt auch zu toten Kronen, Blättern und Stängeln. Diese Pflanzenteile müssen durch Einwirkung von Bakterien und Pilzen zerfallen, um im Laufe der Zeit N freizusetzen.
Dieser Weg kann eine bedeutende N-Quelle in Grassystemen der warmen Jahreszeit sein, in denen ein Gras wie Bermudagras mit einjährigen Hülsenfrüchten übersät ist. Wenn die einjährige Hülsenfrucht im späten Frühjahr reift und stirbt, zerfallen die Pflanzenreste und setzen N für die Verwendung durch das Gras der warmen Jahreszeit im Sommer frei. Eine texanische Studie zeigte, dass eine Kombination von einjährigem Winterklee, der mit Bermudagras übersät wurde, genauso viel DM lieferte wie Bermudagras, das mit dem Äquivalent von 113 bis 142 Pfund N pro Acre gedüngt wurde.
Die Stickstofffixierung braucht Zeit
Nach dem Pflanzen gibt es eine Verzögerungszeit, bis die Knötchenbildung und die N-Fixierung beginnen. Dieser Zeitraum beträgt etwa drei Wochen nach dem Auflaufen der Pflanzen. Die Stickstofffixierung ist im Gründungsjahr der Stauden am geringsten und erreicht im zweiten oder dritten Jahr über 90 %.
Eine Studie aus Arkansas zeigte, dass der Prozentsatz von Klee oder Luzerne über vier Jahre zunahm, wenn diese Hülsenfrüchte in Bermudagras-Weiden eingesät wurden. Die Körpergewichtszunahme der Kälber pro Acre verbesserte sich tendenziell, wenn der Leguminosenanteil im Laufe der vierjährigen Studie zunahm, insbesondere bei Luzerne, aber die Zuwächse waren im Allgemeinen geringer bei Behandlungen ohne Leguminosen, bei denen N-Dünger angewendet wurde. Interessanterweise sanken die Kälbergewinne pro Acre während eines schweren Dürrejahres für die N-Düngemittelbehandlungen drastisch, blieben jedoch über die Jahre hinweg bei den Leguminosengrasbehandlungen stabiler (Abbildungen 1 und 2).
Leguminosen sind wichtige Futtermittel und reduzieren den Bedarf an N-Einträgen. Zu wissen, wie der N-Kreislauf in Futtersystemen funktioniert, ist entscheidend für die effektive Nutzung dieser Futtermittel. Ein wichtiges Konzept, das Sie verstehen müssen, ist Folgendes:Der Futteranbau durch N-Fixierung ist ein Prozess, während der Futteranbau durch N-Düngung ein einmaliges Ereignis ist.
Dieser Artikel erschien in der April/Mai-Ausgabe 2020 von Hay &Forage Grower auf den Seiten 6 bis 8.
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