Erkundung der Vorteile von inokulierten Kuherbsen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen in Namibia

Aug 18, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 11761 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Kuherbsen (Vigna uniculata L. Walp) werden von vielen Kleinbauern in Subsahara-Afrika als Nahrungsmittel und wegen ihrer Fähigkeit, Stickstoff auch unter Stress zu binden, angebaut. Ihre Leistung hängt von den einheimischen Rhizobienstämmen ab, die in symbiotischer Verbindung mit den Wurzeln leben; Sie kann verstärkt werden, wenn die Samen mit wirksameren Samen beimpft werden. Daten zur Wirksamkeit der Technik unter verschiedenen klimatischen Bedingungen sind rar. Hier verwenden wir daher ein Modell, um zwei in Namibia durchgeführte Feldexperimente auf verschiedene Klimawandelszenarien hochzuskalieren. Die Simulationen zeigen, dass nicht inokulierte Kuherbsen einen durchschnittlichen Ertrag von 0,5 t/ha und inokulierte Kuherbsen von 1 t/ha haben. Bei günstigen klimatischen Bedingungen (kühl und nass) erhöhen sich die geschätzten Ertragsunterschiede auf über 1 t/ha. In trockenen Jahren (< 200 mm) beträgt die durchschnittliche Ertragsdifferenz nur 0,1 t/ha. In der fernen Zukunft (2080–2100) wird es häufiger zu trockenen und heißen Jahren kommen. Die Verwendung von inokuliertem Kuherbsensamen anstelle von nicht inokuliertem Saatgut wird den Landwirten daher dann nicht mehr so ​​viel nützen wie in der nahen Zukunft (2030–2050). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung von Kuherbsensamen, die mit einem effizienten Rhizobienstamm beimpft wurden, die Erträge unter wechselnden klimatischen Bedingungen erheblich steigern kann, die Ertragsvorteile jedoch in sehr trockenen und heißen Jahren deutlich abnehmen.

Kuherbse (Vigna unguiculata L. Walp) ist eine wichtige Eiweißpflanze zur Sicherung der heimischen Nahrungsmittelproduktion in den semiariden Teilen Afrikas südlich der Sahara, wo andere Nahrungsmittelleguminosen nur schwer gedeihen können1,2. Im Jahr 2020 wurden Kuherbsen auf fast 14 Millionen Hektar Land in den zentralen und südlichen Teilen des afrikanischen Kontinents angebaut (https://www.fao.org/faostat/en/#data). Die vielseitige Kulturpflanze kann Getreide und Getreide für Nahrungs- und Futtermittel produzieren3 und atmosphärischen Stickstoff auch unter Wasser- oder Temperaturstress binden4. Unter optimalen Bedingungen können Kuherbsen bis zu 240 kg N ha−15 binden, was sie zu einer guten Wahl für Kleinbauern macht, die Schwierigkeiten haben, mineralischen Stickstoffdünger zu beschaffen6.

Die Effizienz der Stickstofffixierung hängt von der Sorte der Kuherbse und den Rhizobienstämmen ab, die in symbiotischer Verbindung mit den Wurzeln der Kuherbse leben5,7. In einigen Regionen können lokale Rhizobien weniger wirksam sein (z. B. 8,9). Ihre Population ist möglicherweise gering oder sie sind bei der N2-Fixierung nicht effizient10. Ein Nährstoffmangel im Boden kann auch zu einer geringeren Knollenbildung durch lokale Stämme führen11. Darüber hinaus können hohe Temperaturen und Wasserknappheit indirekt die erfolgreiche Wurzelknollenbildung beeinträchtigen, indem sie die Beweglichkeit der Rhizobien verringern oder zu Austrocknung und Zelltod führen12. In diesen Fällen kann die Inokulation mit zuvor isolierten, wirksameren Rhizobienstämmen die Stickstofffixierung und die Erträge steigern13. Impfstoffe können Kuherbsen auch vor parasitären Pflanzen und Phytopathogenen schützen14,15 und den Gehalt an bioaktiven Verbindungen im Ertrag erhöhen, was den Nährwert erhöht16. Sie können Phosphat lösen17, wachstumsfördernde Hormone an Wirtspflanzen liefern18 und die Widerstandsfähigkeit von Kuherbsen gegenüber Wasserstress verbessern19.

Viele mit der Impfung verbundene Vorteile wurden in kleinen Gewächshaus- und Feldexperimenten untersucht. Der Umfang dieser Experimente ist aufgrund von Platz-, Infrastruktur- und Finanzierungsbeschränkungen oft auf eine Vegetationsperiode und wenige Behandlungen beschränkt. In diesem Artikel verwenden wir ein biogeophysikalisches Pflanzenmodell, um die Ergebnisse eines kleinen Feldversuchs, der 2017/2018 in der nördlichen Region Namibias durchgeführt wurde, hochzuskalieren. In diesem Versuch wurden Kuherbsen mit und ohne Bradyrhizobium-Inokulation angebaut und ihre Erträge und andere Ernteparameter verglichen. Da die Vegetationsperiode sehr trocken war, wurde eine Notbewässerung durchgeführt, um den Verlust zu vieler Pflanzen zu vermeiden. In dieser Upscaling-Studie möchten wir die in diesem Versuch gesammelten Daten als Grundlage für die Beantwortung weiterer Fragen verwenden: Wie wirkt sich die Impfung auf die Erträge unter verschiedenen klimatischen Bedingungen aus? Können inokulierte Kuherbsen Wasserstress besser standhalten als nicht inokulierte Pflanzen? Und schließlich: Wie werden sich die Vorteile von inokulierten Kuherbsen in Zukunft ändern?

Die Feldversuche fanden in Ogongo (−17°40′12′′, 15°18′0′′, Höhe 1111 m MSL) und Mashare (−17°53′24′′, 20°10′48″, Höhe) statt 1050 m MSL) in den nördlichen und nordöstlichen Regionen Namibias. Jedes Feld war 41 × 41 m groß, mit 0,5 m Randstreifen, 12 m pro Behandlungsblock und zwei Metern Abstand zwischen den Blöcken. Die Studie war in einem Blockdesign mit vier Wiederholungen jeder Behandlung angelegt. Die Behandlungen bestanden aus (i) Kuherbsen ohne Impfmittel, (ii) Kuherbsen ohne Impfmittel plus Harnstoffdünger, (iii) Kuherbsen mit Impfmittel. Verwendet wurde die Kuherbsensorte Lutembwe aus Sambia. Bei der Behandlung mit Inokulation wurde ein Bradyrhizobium-Stamm, der zuvor in der Kavango-Region gesammelt wurde (Bradyrhizobium-Stamm 1–7)11,20, als Impfmittel zu den Kuherbsensamen mit Torf als Träger hinzugefügt. Bradyrhizobium sp. Stamm 1–7 knötchen effektiv Kuherbse und Bambara-Erdnuss11. Es handelt sich um einen hitzebeständigen Symbionten, da er bei 35–38 °C noch Wachstum zeigte11,20 und daher wahrscheinlich auch unter dem Klimawandel überlebt.

Vor der Pflanzung wurden in jeder Parzelle fünf Bodenproben entnommen und gemischt, um eine Probe pro Parzelle zu erhalten. In Mashare wurde die Pflanzung am 5. Januar 2018 und in Ogongo am 2. Februar 2018 durchgeführt. Auf jede Teilparzelle wurde eine Prise Phosphatdünger gegeben, was etwa 15 kg pro Hektar entspricht. Bei der Harnstoffbehandlung wurden in jedes Pflanzloch ca. 1,7 g Harnstoff gegeben. Während der Vegetationsperiode wurde bei trockenen Bedingungen einmal wöchentlich Bewässerungswasser ausgebracht. Die Einzelmengen lagen zwischen 10 und 50 mm pro Woche, insgesamt bis zu 250 mm. Die Kuherbsen wurden am 26. April 2018 in Mashare und am 18. Mai in Ogongo geerntet. Nach der Ernte werden das Nass- und Trockengewicht der Triebe (g), der Trockenmasseertrag der Pflanze (kg/ha), das Nass- und Trockengewicht der Wurzeln (g), der Trockenmasseertrag der Wurzeln (kg/ha) und der Gesamtkornertrag ermittelt (g), der Getreideertrag pro Fläche (kg/ha), die Schotenzahl mit zehn Pflanzen, die durchschnittliche Schotenzahl pro Teilparzelle und die Samenzahl mit 40 Schoten wurden für jede Teilparzelle sowie die Anzahl der geernteten Pflanzen bestimmt.

Wir haben die simulierten Getreideerträge des Erntemodells für zwei Behandlungen kalibriert: (i) Lutembwe-Kuherbse ohne Impfmittel und (ii) Lutembwe-Kuherbse mit Impfmittel. Wir haben uns aus zwei Gründen dafür entschieden, die Harnstoffbehandlung im Simulationsexperiment wegzulassen: (1) In einer parallel zu den Feldversuchen durchgeführten Umfrage unter Kleinbauern der Region gaben nur zwei der 97 Teilnehmer an, dass sie Düngemittel verwendeten auf ihren Kuherbsen. Wir kamen zu dem Schluss, dass dies die allgemeine Praxis in der Region sei und als Maßstab für Vergleiche dienen sollte. (2) Die Ergebnisse der Feldversuche waren für die Harnstoffbehandlung nicht schlüssig. Nicht inokulierte Kuherbsen mit Harnstoffdüngerbehandlung hatten in Mashare geringere mittlere Erträge als nicht inokulierte Kuherbsen ohne Harnstoffdünger, 1,3 t/ha (Harnstoff) gegenüber 2,0 t/ha (kein Harnstoff), wahrscheinlich aufgrund der anfänglichen Hemmung der Knötchenbildung und Auswaschung aus dem sandigen Boden. Mit EPIC konnten wir diesen Effekt nicht reproduzieren.

Für die Studie verwendeten wir das Environmental Policy Integrated Climate (EPIC)-Modell21. EPIC ist ein biophysikalisches, prozessbasiertes Modell auf Feldebene, das Pflanzenwachstum und Ernteertrag, Bodennährstoffkreisläufe, Bodenerosion sowie verschiedene Bodenbearbeitungs- und Bewirtschaftungspraktiken simulieren kann. Kulturpflanzen werden durch einen einzigartigen Satz von Kulturpflanzenparametern beschrieben, zu denen z. B. Strahlungsnutzungseffizienz, maximaler potenzieller Ernteindex, Basistemperatur, optimale Temperatur, maximaler potenzieller LAI, maximale Stomata-Leitfähigkeit, maximale Kulturhöhe und Wurzeltiefe sowie Stickstoff, Phosphor und mehr gehören Kaliumaufnahmeparameter. Zu den von EPIC simulierten pflanzenbiophysikalischen Prozessen gehören das Abfangen photosynthetisch aktiver Sonnenstrahlung in Abhängigkeit von LAI, die Umwandlung in Biomasse basierend auf der Strahlungsnutzungseffizienz und den Belastungen des Pflanzenwachstums (Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit, Temperatur) sowie die Aufteilung des täglichen Biomassezuwachses in die Wurzel und über den Boden Biomasse und Anpassung des Ernteindex an Dürrebedingungen22. EPIC wird seit vielen Jahren verwendet, um verschiedene Aspekte landwirtschaftlicher Systeme zu untersuchen, wie etwa Ertragslücken23,24,25, Auswirkungen des Klimawandels auf Ernteerträge26, Umweltauswirkungen27,28, Bodendegradation29 oder Bodenerosion und Nährstoffauswaschung30.

Die für eine Simulation mit dem Pflanzenmodell EPIC erforderlichen Eingabedaten bestehen aus Standortdaten (Standort, Höhe), täglichen Wetterdaten (Temperatur, Niederschlag, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchtigkeit), Bodendaten und Managementdaten (Termine für den Pflug). , Pflanzen, Ernten, Düngen, Menge und Art des Düngers, Saatdichte). Standort- und Managementdaten wurden der Beschreibung der Feldversuche entnommen. Tägliche Wetterdaten für die Jahre 2017 und 2018 wurden von SASSCAL WeatherNet für die Stationen Mashare und Ogongo heruntergeladen (https://www.sasscalweathernet.org). Die Bodeneingabedateien wurden auf der Grundlage der Analyse der Bodenproben erstellt, die vor der Pflanzung im Jahr 2018 entnommen wurden (Tabelle 1).

Wir haben zwei Parametersätze für Kuherbsen kalibriert: Kuherbsen mit Impfmittel und Kuherbsen ohne Impfmittel. Wir haben die Kalibrierung mit der nicht beimpften Kuherbse als Basislinie begonnen. Als Ausgangssatz von Ernteparameterwerten haben wir den Standard-Kuherbsen-Ernteparametersatz in der EPIC-Erntedatenbankdatei verwendet. Wir haben die für die Kalibrierung verfügbaren Parameter auf die wachstumsbezogenen Parameter beschränkt und andere nicht relevante Parameter wie Saatgutkosten, Ertragspreis, Frostschäden oder Erntekategorie ausgeschlossen. Die Liste der kalibrierten Parameter ist in Tabelle 2 aufgeführt. Wir haben die Kalibrierung begonnen, indem wir das Modell einmal für jeden der beiden Standorte ausgeführt haben. Für beide Standorte wurde die absolute Differenz zwischen simulierten Erträgen und dem Median der gemeldeten Erträge berechnet und anschließend summiert. Aufgrund der großen Ertragsspanne haben wir den Median der gemessenen Erträge gewählt (Tabelle 3). In einem zweiten Schritt wurde ein neuer Satz von Kulturparameterwerten vorgeschlagen, der auf der Zufallsstichprobe einer Gauß-Verteilung möglicher Werte basiert, die für jeden Kulturparameter generiert wurde. Wir haben nicht zugelassen, dass die neuen Werte um mehr als 20 % von den ursprünglichen Werten oder den im EPIC-Benutzerhandbuch als machbaren Bereich festgelegten Werten abweichen. Das Modell wurde mit dem neuen Zuschneideparametersatz erneut ausgeführt. War die Summe der Ertragsunterschiede mit diesem neuen Parametersatz geringer, wurde der Satz als neuer Parametersatz übernommen; andernfalls wurde der Satz abgelehnt und der alte beibehalten. Dieses Verfahren wurde 10.000 Mal wiederholt. Nachdem die Kalibrierung für die nicht inokulierte Kuherbse abgeschlossen war, wiederholten wir die gleichen Schritte für die inokulierte Kuherbse, begannen jedoch mit dem letzten Parametersatz der nicht inokulierten Kuherbse als Startsatz. Der Grund dafür war, dass wir zunächst die Ernteparameter so kalibrieren wollten, dass sie mit der Lutembwe-Sorte übereinstimmen, und dann den Lutembwe-Ernteparametersatz so kalibrieren wollten, dass er mit den inokulierten Lutembwe-Kuherbsen übereinstimmte. Die endgültigen Parameterwerte für inokulierte und nicht inokulierte Kuherbsen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Um die potenziellen Vorteile der Verwendung von Saatgut mit Impfmittel zu untersuchen, haben wir Klimadaten für beide Standorte aus der ISIMIP-Datenbank mit einer räumlichen Auflösung von 0,5° heruntergeladen. Die ISIMIP3b-Daten basieren auf der Ausgabe von Phase 6 des Coupled Model Intercomparison Project31 und umfassen die fünf allgemeinen Zirkulationsmodelle GFDL-ESM4, IPSL-CM6A-LR, MPI-ESM1-2-HR, MRI-ESM2-0 und UKESM1-0 -LL. Die Prognosen zu zukünftigen Klimabedingungen wurden durch die drei Kombinationen ssp126, ssp370 und ssp585 der Szenarien des relativen Konzentrationspfads (RCP) und des gemeinsamen sozioökonomischen Pfads (SSP) bestimmt. Wir haben die voreingenommenen Klimadaten verwendet, die in ISIMIP3BASD v2.532 bereitgestellt werden.

Wir haben die Daten beider Standorte analysiert, um festzustellen, welche langfristigen Trends zu erwarten sind (Zahlen siehe elektronisches Zusatzmaterial). In Mashare reicht der mittlere dekadische Temperaturanstieg von 0,01 bis 0,18 °C in SSP126, über 0,40–0,77 °C in SSP370 bis zu 0,45–1,05 °C in SSP585. Mit Ausnahme von zwei Modellen in SSP126 (GFDL-ESM4, MRI-ESM2-0) sind alle Trends von hoher Bedeutung. In Ogongo liegt der mittlere dekadische Temperaturanstieg zwischen 0,02 und 0,18 °C in SSP126, 0,45–0,77 °C in SSP370 und 0,51–1,01 °C in SSP585. Alle Trends sind hochsignifikant, mit Ausnahme von drei Modellen in SSP126 (GFDL-ESM4, MRI-ESM2-0, MPI-ESM1-2-HR). Um Veränderungen in der Variabilität der mittleren Jahrestemperaturen zu überprüfen, haben wir die Varianz für die Zeiträume 2015–2040 und 2075–2100 berechnet. In Mashare nimmt die Temperaturvarianz von der ersten zur zweiten Periode in fast allen Projektionen für SSP370 und SSP585 zu, nimmt jedoch in vier von fünf Modellen in SSP126 ab. In Ogongo folgt die Temperaturvarianz einem nahezu identischen Trend wie in Mashare: Sie nimmt in fast allen Projektionen für SSP370 und SSP585 zu, nimmt jedoch in vier von fünf Modellen in SSP126 ab. Basierend auf diesen Zahlen werden die prognostizierten mittleren Jahrestemperaturen von 2015 bis 2100 in fast allen Szenarien deutlich ansteigen.

Was die Niederschläge betrifft, so gibt es in Mashare keinen klaren Trend zu Veränderungen im Laufe der Zeit. Im SSP126 bleiben die mittleren jährlichen Niederschlagssummen mehr oder weniger konstant, ohne dass es signifikante Trends nach oben oder unten gibt. In SSP370 und SSP585 prognostizieren die meisten Modelle einen leichten Rückgang der Niederschläge, der Trend ist jedoch nur in einem Fall signifikant (SSP585/GFDL-ESM4, p = 0,025). Das gleiche Muster wiederholt sich in Ogongo, mit dem einzigen Unterschied, dass der negative Trend in zwei Fällen signifikant ist (SSP370/GFDL-ESM4 und SSP585/GFDL-ESM4, p = 0,02 bzw. p = 0,007). Um Veränderungen in der Variabilität der jährlichen Niederschlagssummen zu überprüfen, haben wir die Varianz für die Zeiträume 2015–2040 und 2075–2100 berechnet. In Mashare nimmt die Niederschlagsvarianz in vier von fünf Modellen für SSP126 und SSP585 ab und nimmt in drei von fünf Modellen für SSP370 zu. In Ogongo ist die Änderung der Niederschlagsvarianz etwas anders; Bei SSP126 nimmt sie bei vier von fünf Modellen ab und bei SSP370 und SSP585 bei drei von fünf Modellen zu. Basierend auf diesen Zahlen werden die projizierten Muster der jährlichen Niederschlagssummen von 2015 bis 2100 in fast allen Szenarien mehr oder weniger gleich bleiben.

Für die Studie haben wir die Klimadaten beider Standorte kombiniert, um einen größeren Pool unterschiedlicher klimatischer Bedingungen zu erhalten, und die Daten in sechs Kategorien jährlicher Niederschlagssummen und mittlerer Jahrestemperaturen eingeteilt. Wir haben überlegt, anstelle der mittleren Jahrestemperatur die Durchschnittstemperatur der Kuherbsen-Anbausaison zu verwenden, aber der durchschnittliche Unterschied zwischen der mittleren Jahres- und der mittleren Saisontemperatur beträgt nur 0,7 °C, sodass wir beim Jahreswert geblieben sind.

Für die Studie simulierten wir den Anbau von Kuherbsen unter demselben Management wie in der Kalibrierung, ließen jedoch keine Bewässerung zu, da wir die Leistung der inokulierten und nicht inokulierten Kuherbsen unter Wasserstressbedingungen untersuchen wollten. Sowohl für Mashare als auch für Ogongo haben wir das Modell 80 Jahre lang von 2020 bis 2100 laufen lassen und die Simulationen für 15 Kombinationen aus fünf GCM-Modellen und drei Klimawandelszenarien wiederholt. Insgesamt wurden so für jeden Standort 1200 Einzelschätzungen der Jahreserträge erstellt, insgesamt also 2400. Wir haben die Ergebnisse für beide Standorte gemeinsam analysiert, um einen größeren Datenpool mit unterschiedlichen klimatischen Bedingungen zu erhalten.

Die vorliegende Studie wurde in Übereinstimmung mit relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen durchgeführt.

Wir haben die Kuherbsen-Parametersätze so kalibriert, dass sie dem Median der Erträge entsprechen, die für die vier Parzellen gemeldet wurden, die jeder Behandlung/Sorte zugeordnet sind (Tabelle 3). Bei der Behandlung ohne Impfmittel betrugen die gemessenen mittleren Kuherbsenerträge und die simulierten Erträge der Sorte Lutembwe 1,87 gegenüber 1,86 t/ha in Mashare; und 1,01 vs. 1,10 t/ha in Ogongo. Bei der Behandlung mit einem hitzebeständigen Bradyrhizobium-Impfmittel betrugen die gemessenen mittleren Kuherbsenerträge und die simulierten Erträge der Sorte Lutembwe 2,87 gegenüber 2,87 t/ha in Mashare und 2,09 gegenüber 1,82 t/ha in Ogongo. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kalibrierung erfolgreich war und die durchschnittliche Ertragssteigerung von ca. 1 t/ha durch die Behandlung mit dem Bradyrhizobium-Stamm reproduziert werden konnte. Die Kalibrierung war in Ogongo etwas weniger erfolgreich als in Mashare, aber selbst dort liegen die simulierten Erträge im Bereich der gemeldeten Erträge.

Wir haben Erträge von Augenbohnen mit und ohne Inokulum simuliert. Über den gesamten Datensatz hinweg betragen die durchschnittlichen Erträge von Kuherbsen ohne Inokulum 0,47 t/ha (min. = 0,001 t/ha, max. = 2,51 t/ha, sd = 0,54 t/ha) und die durchschnittlichen Erträge von Kuherbsen mit Inokulum betragen 0,99 t/ha. ha (min. = 0,001 t/ha, max. = 3,66 t/ha, sd = 0,90 t/ha). Die Unterschiede zwischen den Kuherbsenerträgen mit und ohne Inokulum sind signifikant (p-Wert = 0,000). Die höchsten Erträge für Kuherbsen ohne Inokulum werden in Jahren erzielt, in denen die jährliche Durchschnittstemperatur unter 24 °C liegt und die Niederschlagsmenge mehr als 400 mm beträgt, und in Jahren, in denen die Niederschlagsmenge 800 mm übersteigt, unabhängig von der Temperatur. In diesen Jahren liegen die simulierten Erträge zwischen 0,58 und 1,0 t/ha (Abb. 1a). Die niedrigsten Erträge (0,03 bis 0,18 t/ha) fallen in Jahren mit Durchschnittstemperaturen über 30 °C und in Jahren mit Niederschlägen unter 200 mm an. Die Erträge von Kuherbsen mit Inokulum folgen einem ähnlichen Muster (Abb. 1b), aber hier liegen die höchsten Erträge zwischen 0,8 und 1,99 t/ha und die niedrigsten zwischen 0,04 und 0,2 t/ha, wobei die sehr niedrigen Erträge erst nach mittleren Temperaturen einsetzen über 32 °C steigen.

Kuherbsenerträge ohne (a) und mit (b) Impfmittel, produziert in Jahren mit spezifischen jährlichen Niederschlagssummen (y-Achsen) und mittleren Jahrestemperaturen (x-Achsen); Die zweite Zeile zeigt die absoluten (c) und relativen (d) Unterschiede zwischen den in (a) und (b) dargestellten Erträgen, wobei (a) die Basislinie darstellt.

Bezogen auf die absoluten Unterschiede ergeben sich die höchsten Ertragsvorteile in Jahren mit Temperaturen unter 24 °C und Niederschlägen über 200 mm sowie in Jahren mit Temperaturen bis 26 °C und Niederschlägen über 800 mm (Abb. 1c). Sie liegen zwischen 0,67 und 1,12 t/ha. Was die relativen Unterschiede betrifft, ist das Bild etwas anders und nicht so klar (Abb. 1d). Hohe relative Ertragssteigerungen lassen sich unabhängig vom Niederschlag in Jahren mit Temperaturen unter 26 °C erzielen, aber auch in Jahren mit Niederschlagsmengen unter 200 mm und Temperaturen unter 30 °C. In diesen Jahren sind durch die Umstellung auf beimpftes Saatgut Ertragssteigerungen von bis zu 177 % erreichbar. Etwas geringere Ertragssteigerungen von 31–102 % können unabhängig vom Niederschlag in Jahren mit Durchschnittstemperaturen von 26–28 °C erzielt werden. Allerdings sind die Erträge in einigen dieser Jahre so gering, dass eine Steigerung von 61 % eine absolute Steigerung von 0,1 t/ha bedeuten kann. Die Mehrkosten für inokuliertes Saatgut würden sich daher in diesen Jahren wahrscheinlich nicht amortisieren. Interessanterweise gibt es auch Jahre, in denen die Verwendung von beimpften Kuherbsen zu geringeren Erträgen führen würde. Diese Fälle können vor allem in trockeneren Jahren mit Temperaturen über 30 °C beobachtet werden. Allerdings liegen die Erträge an Kuherbsen in diesen Jahren nahe bei Null, so dass der negative Effekt groß erscheinen mag, aber vernachlässigbar ist.

Basierend auf den Simulationen kann gefolgert werden, dass inokulierte Kuherbsen vor allem in Jahren mit günstigen Wachstumsbedingungen, also in kälteren und feuchteren Jahren, Ertragsvorteile bieten. Sie haben auch eine etwas höhere Trockenheitstoleranz als nicht inokulierte Kuherbsen, aber der Ertragsunterschied ist sehr gering. Nicht inokulierte Kuherbsen hingegen haben eine etwas höhere Toleranz gegenüber hohen Temperaturen, aber auch hier ist der Ertragsunterschied marginal.

Im Durchschnitt erzielen inokulierte Kuherbsen in sehr trockenen Jahren etwas höhere Erträge als nicht inokulierte Kuherbsen, solange die Temperaturen unter 30 °C bleiben (Abb. 1). Betrachtet man nicht nur den Durchschnitt, sondern alle Jahre mit Niederschlägen unter 200 mm, liegen die Ertragsunterschiede zwischen -0,16 und 0,88 t/ha (Abb. 2a), mit einem Median von 0,04 und einem Mittel von 0,09 t/ha. Obwohl die Unterschiede gering sind, sind sie hochsignifikant (p = 0,000). Dies zeigt, dass die Verwendung von inokulierten Kuherbsen in Jahren mit trockenen Bedingungen Ertragsvorteile mit sich bringt, in den meisten Fällen ist der Unterschied jedoch sehr gering. Ist das Jahr etwas feuchter, mit Niederschlagssummen von 200–400 mm, erhöht sich der Ertragsvorteil (Abb. 2b, mit einer Bandbreite der Ertragsunterschiede von -0,92 bis 2,01 t/ha, einem Median von 0,13 und einem Mittelwert von 0,37). t/ha). In diesen Jahren ist der Ertragsvorteil somit ausgeprägter. Die Schlussfolgerung ist, dass inokulierte Kuherbsen unter trockenen Bedingungen zwar einen deutlich höheren Ertrag erzielen als nicht inokulierte Kuherbsen, die Landwirte jedoch möglicherweise nur in Jahren mit etwas mehr Niederschlägen deutlich von der Verwendung profitieren.

Ertragsunterschiede zwischen inokulierten und nicht inokulierten Kuherbsen in Jahren, in denen der Niederschlag (a) unter 200 mm und (b) zwischen 201 und 400 mm liegt. Negative Werte deuten darauf hin, dass nicht inokulierte Kuherbsen höhere Erträge erzielten als inokulierte, positive Werte deuten auf das Gegenteil hin.

Abbildung 3 zeigt die Veränderung der klimatischen Bedingungen von der nahen Zukunft (2030–2050) bis zur fernen Zukunft (2080–2100). Im Szenario SSP126 herrschen in den meisten Jahren klimatische Bedingungen mit jährlichen Niederschlagssummen zwischen 400 und 600 mm und mittleren Jahrestemperaturen von < 24 °C und 24–26 °C sowohl in der nahen als auch in der fernen Zukunft (Abb. 3, erste Zeile). In SSP370 gibt es in den meisten Jahren in naher Zukunft einen Niederschlag von 400–600 mm und eine Temperatur zwischen 24 und 26 °C. Es gibt mehr Jahre mit einem Niederschlag von nur 200–400 mm als in SSP126. In ferner Zukunft steigen die Temperaturen und die Niederschlagssummen nehmen ab und die meisten Beobachtungen fallen in die Temperaturklasse 26–28 °C und die Niederschlagsklassen 200–400 und 400–600 mm (Abb. 3, zweite Reihe). In SSP585 herrschen in naher Zukunft ähnliche Bedingungen wie in SSP370, aber in ferner Zukunft wird es mehr Jahre mit höheren Temperaturen von 30–32 °C und sogar Jahre mit mittleren Jahrestemperaturen von > 32 °C geben (Abb. 3, letzte). Reihe).

Änderung des Niederschlags und der Temperatur von (a) der nahen Zukunft (2030–2050) bis (b) der fernen Zukunft (2080–2100) für die SSPs 126, 370 und 585. Der gesamte Datenpool für jedes Raster besteht aus 210 Beobachtungen: 21 Jahre, fünf GCM-Modelle und zwei Standorte (Ogongo, Mashare). Jede Rasterzelle zeigt die Anzahl der beobachteten Fälle für die Kombination aus Temperatur und Niederschlagsklasse.

Wenn wir die Häufigkeiten, mit denen Klimabedingungen in den einzelnen Szenarien auftreten, als Gewichte nehmen und einen gewichteten Mittelwert der Erträge über alle Klimabedingungen berechnen, sehen wir in der nahen Zukunft (2030–2050) eine Ertragssteigerung von 0,56–0,63 t /ha kann durch Verwendung inokulierter Kuherbsen erreicht werden (Tabelle 4). Der Ertragsunterschied bleibt für SSP126 in ferner Zukunft ungefähr gleich, verringert sich jedoch in den anderen beiden Klimaszenarien auf 0,23–0,29 t/ha. Die Schlussfolgerung ist, dass angesichts der Häufigkeit, mit der bestimmte klimatische Bedingungen in naher und ferner Zukunft auftreten können, die Verwendung von inokulierten Kuherbsensamen anstelle von nicht inokulierten Samen möglicherweise nur in naher, aber nicht in ferner Zukunft eine sinnvolle Alternative darstellt.

Kuherbsen sind für viele Subsistenzbauern in Afrika südlich der Sahara ein wichtiges Grundnahrungsmittel und eine Proteinquelle. Aufgrund ihrer Symbiose mit N2-fixierenden Bakterien benötigen sie keinen oder nur geringe Dosen zusätzlicher Stickstoffdüngung. Allerdings werden die Ausbeute und die N2-Fixierung stark durch Stress beeinflusst, insbesondere durch Wasserstress19. Um die positiven Eigenschaften von Hülsenfrüchten auch unter Stressbedingungen zu verstärken, ist die Impfung mit Rhizobien die am häufigsten verwendete Technik33, deren Beliebtheit in den letzten Jahren noch weiter zugenommen hat34. Für mehrere verschiedene Hülsenfrüchte wurde gezeigt, dass die stickstofffixierende Wurzelknöllchensymbiose die Trockenheitstoleranz der Pflanzen verbessern kann35,36,37,38.

In einem Experiment in der Savannenzone Nigerias konnten bei inokulierten Sojabohnen Ertragssteigerungen von 27–33 % beobachtet werden39. In unserer Studie konnten die Erträge an Kuherbsen im Durchschnitt um 47 % gesteigert werden, allerdings mit großen Schwankungen je nach klimatischen Bedingungen. Eine kürzlich durchgeführte Überprüfung der Technik kam daher zu dem Schluss, dass Rhizobien-Bioimpfstoffe eine wichtige Rolle in der Landwirtschaft der nächsten Generation spielen könnten, insbesondere beim Management der Bodenfruchtbarkeit. aber nur, wenn Elitestämme, die Wettbewerbsfähigkeit und Wirksamkeit unter Feldbedingungen vereinen, isoliert und verwendet werden40. Dies bedeutet, dass die Stämme in der Lage sein sollten, effektiv mit einheimischen Rhizobien um die Belegung von Knöllchen zu konkurrieren, über eine hohe Fähigkeit zur Stickstofffixierung verfügen, stresstolerant sein sollten, über genetische Stabilität im Herstellungsprozess verfügen und eine begrenzte jährliche Persistenz in unbepflanzten Böden besitzen sollten dass sie problemlos ersetzt werden können, wenn in Zukunft verbesserte Stämme eingeführt werden41.

Doch selbst wenn Hochleistungsstämme isoliert werden, die alle diese Bedingungen erfüllen, gibt es immer noch keine Garantie dafür, dass sie unter allen Bedingungen gute Leistungen erbringen oder dass Landwirte durch ihren Einsatz einen finanziellen Vorteil erzielen können. In unserer Studie variierten die Ertragsunterschiede zwischen inokulierten und nicht inokulierten Kuherbsen stark zwischen den Jahren und hingen hauptsächlich von den klimatischen Bedingungen ab. Beimpfte Kuherbsen brachten vor allem in Jahren mit günstigen klimatischen Bedingungen einen Vorteil; In trockenen oder heißen Jahren waren die Ertragsunterschiede vernachlässigbar. Eine Studie in Kenia, in der geimpfte und nicht geimpfte Sojabohnen untersucht wurden, ergab ebenfalls erhebliche Ertragsunterschiede von 0 bis 2,6 t/ha, mit einem Durchschnitt von 0,6 t/ha39. In dieser Studie führten die Autoren eine einfache Finanzanalyse durch: Sie schätzten, dass für die Anpflanzung eines Hektars 80 kg Sojabohnensamen benötigt würden, wofür 320 g Sojabohnen-Impfmittel auf Torfbasis benötigt würden, was 13,4 US-Dollar kosten würde. Zum Zeitpunkt der Analyse wurden Sojabohnen in Kenia für etwa 0,5 US-Dollar pro kg verkauft, was bedeutet, dass die Erträge um mindestens 27 kg/ha gesteigert werden mussten, um die Kosten für das verbesserte Saatgut zu decken. Für Kuherbsen werden ca. 20 kg/ha Saatgut benötigt. Der Preis für ein Kilogramm Augenerbsen betrug im Jahr 2021 in Namibia etwa 0,8 USD Die Erträge müssen nur um 4,1 kg/ha gesteigert werden, damit die Landwirte die Kosten für das beimpfte Saatgut decken können. Unsere Studie zeigt, dass dieser Anstieg in fast allen Jahren erreicht werden kann, mit Ausnahme einiger Jahre mit jährlichen Durchschnittstemperaturen über 30 °C, und dass die Verwendung von inokulierten Kuherbsensamen daher Subsistenzbauern in Namibia zugute kommen kann. Allerdings kann es für Landwirte schwierig sein, das Produkt zu kaufen, da es derzeit nur einen Hersteller in Afrika (Kenia) gibt, der Rhizobien-Impfmittel für Kuherbsen herstellt40; Die anderen Hersteller verkaufen hauptsächlich Sorten für Sojabohnen. Im Allgemeinen sind Kuherbsen immer noch eine zu wenig genutzte Kulturpflanze, und angewandte Pflanzenzüchtung kann mit kleinen Investitionen wahrscheinlich zu großen Gewinnen führen3. Es ist auch vielversprechend, dass kürzlich in Namibia neue Bradyrhizobium-Stämme und -Arten isoliert wurden, die im Vergleich zu vielen anderen Bradyrhizobien eine hohe Temperaturresistenz aufweisen43.

Die in diesem Artikel vorgestellte Studie zeigt auch, dass die Verwendung von Nutzpflanzenmodellen zur Erweiterung des Umfangs von Feldversuchen die Menge an erlernbaren Informationen erheblich erhöhen kann. Bei der Pflanzenmodellierung werden Daten aus Feldversuchen hauptsächlich verwendet, um die Fähigkeit von Modellen zu testen und zu validieren, die Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungsoptionen auf Faktoren wie Erträge, Bodendynamik oder Emissionen vorherzusagen (z. B.44,45). Sobald Modelle ausreichend getestet und validiert wurden, können sie verwendet werden, um mögliche Ursachen der beobachteten Dynamik in Feldexperimenten (z. B. 46) oder Feldexperimenten im höheren Maßstab in Zeit und Raum (z. B. 47, 48, 49) zu bestimmen. In unserer Studie gehen wir davon aus, dass das seit langem etablierte Nutzpflanzenmodell EPIC in der Vergangenheit ausreichend getestet und validiert wurde und ohne weitere Tests auf die Fragestellung angewendet werden kann. Wir nutzten die in den Feldversuchen gesammelten Daten, um das Modell zu kalibrieren und verwendeten sie dann, um das Feldexperiment hochzuskalieren, um viel mehr Variationen der klimatischen Bedingungen einzubeziehen, als im eigentlichen Versuch beobachtet werden konnten.

Zusammenfassend zeigte unsere Studie, dass nicht inokulierte Kuherbsen mit durchschnittlich 0,5 t/ha deutlich geringere Erträge liefern als inokulierte Kuherbsen. Bei günstigen klimatischen Bedingungen (kühl und nass) können die Ertragsunterschiede auf über 1 t/ha ansteigen. In trockenen Jahren (< 200 mm) verringert sich die durchschnittliche Ertragsdifferenz auf nur 0,1 t/ha. In der fernen Zukunft (2080–2100) wird es häufiger zu trockenen und heißen Jahren kommen, sodass die Verwendung von inokulierten Kuherbsensamen anstelle von nicht inokulierten Samen den Landwirten möglicherweise nicht so viel nützen wird wie in der Gegenwart und in der nahen Zukunft (2030–2050). Wir kommen zu dem Schluss, dass die Verwendung von Kuherbsensamen, die mit einem effizienten Rhizobienstamm beimpft wurden, die Erträge unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen erheblich steigern kann, dass die Ertragsvorteile jedoch in sehr trockenen und sehr heißen Jahren deutlich abnehmen.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit ist Teil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) unter den Förderkennzeichen DLR 01DG17004A-1 und DAAD 57369814 geförderten Projekts TOPSOIL. Die Studie wurde auch von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft) im Rahmen der Deutschen Exzellenzstrategie – EXC 2037 „CLICCS – Klima, Klimawandel und Gesellschaft“, Projektnummer: 390683824, als Beitrag zum Zentrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) der Universität Hamburg.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL. Wir danken dem Open-Access-Publikationsfonds der Universität Hamburg für finanzielle Unterstützung.

Forschungseinheit Nachhaltigkeit und Klimarisiken, Universität Hamburg, Grindelberg 5, 20144, Hamburg, Deutschland

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Korrespondenz mit Livia Rasche.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Rasche, L., Becker, JN, Chimwamurombe, P. et al. Erkundung der Vorteile von inokulierten Kuherbsen unter verschiedenen klimatischen Bedingungen in Namibia. Sci Rep 13, 11761 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38949-2

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Eingegangen: 23. November 2022

Angenommen: 18. Juli 2023

Veröffentlicht: 20. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38949-2

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