Plicatula is a taxonomic group within of the genus Paspalum that contains interesting species considering their phenotypic diversity for forage traits, and some of these species have been improved through artificial interspecific hybridization. Nitrogen (N) is an important limiting factor to produce biomass. Forage legumes contribute with symbiotic N2 fixation and can increase biomass yield and the nutritive value of the pastures. The objectives of this thesis were: (i) evaluate dry matter yield (DMY), N use efficiency (NUE), nutritive value, cold tolerance and plant persistence in hybrids of Paspalum plicatulum x P. guenoarum subjected to N application rates, (ii) compare biomass yield and nutritive value of the grass–legume system to a grass–N fertilizer system, and (iii) select the best hybrids for new steps within the breeding program. The study was conducted from September 2015 to May 2017. The experimental design was a randomized complete block in split-plot arrangement with three replicates. Treatments were five N rates (0, 60, 120, 240, and 480 kg N ha-1 N), and one grass-legumes mixture (Trifolium repens + Lotus corniculatus) as whole plots, and six genotypes (1020133, 102069, 103084, 103061, P. guenoarum ecotype Azulão and Megathyrsus maximus cv. Aruana used as a control) as subplots. Nitrogen rates of 240 and 480 kg N ha-1 increased Total-DMY, Leaf-DMY, cold tolerance and persistence but decreased NUE. Higher NUE was obtained with N rates between 60 and 120 kg N ha-1. Total-DMY for grass-legume mixture was similar to the N rates of 60 and 120 kg N ha-1. Hybrid 1020133 had Total-DMY similar to Azulão and Aruana, as well as Leaf-DMY greater than Aruana. Hybrid 1020133 showed greater cold tolerance and exhibited greater NUE at 60 kg N ha-1 than the other genotypes. At the N rate of 480 kg N ha-1 increased crude protein (27%) and digestibility (4%) and decreased neutral (6%) and acid (7%) detergent fiber compared to the 0 kg N ha-1. Grass-legume mixture showed greater nutritive value compared to N-fertilized grass. Hybrid 103061 had greater crude protein and digestibility and lower neutral and acid detergent fiber than Azulão and Aruana. Therefore, there is opportunity to increase DMY, NUE, cold tolerance and plant persistence, and improve the nutritive value through genotype selection and N management. In addition, grass-legume mixture showed greater nutritive value than N-fertilized grass and can be an alternative practice to replace to the application of N fertilizer up to the rate of 120 kg N ha-1. Hybrids 1020133 and 103061 should be indicated for new studies, such as seed production and animal performance.

In der vorliegenden Studie wurden zwei Fragestellungen bearbeitet, die beide das Ziel verfolgen, die Stickstoff(N)-Ausnutzungseffizienz in landwirtschaftlichen Systemen zu steigern: 1) Hat die langjährige organische Düngung einen Einfluss auf den Abbau kürzlich applizierter organischer Dünger? Die Hypothese war, dass relevante Effekte nur bei schwer abbaubaren organischen Düngern auftreten während bei leicht abbaubaren organischen Düngern die Düngungshistorie keine Rolle spielt. 2) Können die hohen N-Bilanzüberschüsse im intensiven Freilandgemüsebau durch den Einsatz von Winterzwischenfrüchten (ZF) deutlich reduziert werden? Die Hypothese war, dass ZF die Bilanzüberschüsse der betrachteten zweijährigen Fruchtfolgen um mindestens 30 kg N / ha reduzieren. Die erste Hypothese wurde überprüft, indem der Abbau organischer Dünger in Böden, die sich in ihrer organischen Düngungshistorie unterschieden, gemessen wurde. Es wurden ein Topfversuch im Gewächshaus sowie ein Inkubationsversuch im Labor durchgeführt. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass es Effekte der Historie auf den Abbau von Stallmist und Kiefernrinde gab, während es keine Effekte bei leicht abbaubarem Kohlmaterial gab. Daher wurde die Hypothese angenommen. Allerdings ergaben die beobachteten Effekte kein konsistentes Bild in Hinblick auf die Richtung der Effekte auf die Kohlenstoff(C)- und N-Mineralisierung und Effekte auf die Netto-N-Mineralisation waren generell sehr klein. Zur Überprüfung der zweiten Hypothese wurden an drei Standorten in Deutschland Feldversuche mit Gemüsefruchtfolgen und unterschiedlichen ZF durchgeführt. Die Ergebnisse ergaben, dass trotz der die mittleren Bilanzüberschüsse der Kontrollen (ohne ZF) von 217 kg N / ha die ZF die N-Bilanz im Mittel um nur 13 kg N / ha reduzierten. Daher wurde die Hypothese abgelehnt. Die Ergebnisse zeigten weiterhin, dass der verlustfreie Transfer der von der ZF aufgenommenen N-Menge an die Folgefrucht ein kritischer Schritt bei dieser Technik ist. / The current study dealt with two questions that target potential options to increase the nitrogen (N) use efficiency of agricultural systems: 1) Does long-term organic fertilization affect the decomposition of recently added organic fertilizers? The hypothesis was that effects only occur for recalcitrant organic fertilizers while for readily decomposable organic fertilizers, the fertilization history does not play a role. 2) Can the N balance surpluses in intensive field vegetable production systems be substantially reduced by cultivation of winter catch crops (CC)? The hypothesis was that the N balance surpluses of the investigated two-year crop rotations can be reduced by more than 30 kg N / ha. The first hypothesis was tested by applying organic fertilizers to soils that only differed in organic fertilization history. A greenhouse pot experiment and a laboratory incubation experiment were conducted. The results indicated that fertilization history had effects on the decomposition of farmyard manure and pine bark, not however on the decomposition of readily decomposable cabbage material. Hence, the hypothesis was accepted in that fertilization history effects depended on the type of fertilizer. However, fertilization history effects showed no consistent trend with respect to increase or decrease in carbon (C) and N mineralization and the effects on net N mineralization were minor in magnitude. The second hypothesis was tested by performing field experiments at three sites in Germany. Vegetable crop rotations were set up, testing different types of CC. The results suggested that in spite of high N surpluses in the control treatments (no CC) of 217 kg N / ha, CC reduced the N balance surplus on average by only 13 kg N / ha. Hence, the hypothesis was rejected. The findings further indicated that the transfer of N taken up by the CC to the succeeding crop is a critical step when adopting this technique.

Stickstoffdüngung und Bodenbewirtschaftung sind die Hauptquellen für Treibhausgase aus Anbausystemen. Dennoch sind diese Maßnahmen in Ackerbaubetrieben unerlässlich. In Anbetracht der Notwendigkeit, rasch Maßnahmen gegen den Klimawandel zu ergreifen, ist es notwendig Minderungspotentiale und Kosten in diesen Betrieben zu ermitteln und vergleichen. Es wurden Fallstudien in den USA, in Brasilien und in Deutschland durchgeführt, wobei jeweils eine Kultur in jeder Region untersucht wurde. Wissenschaftliche Literatur und Fokusgruppen mit lokalen Experten wurden genutzt, um realistische Ergebnisse zu generieren, die den lokalen Kontext abbilden. Diese Arbeit zeigt, dass die Wirtschaftlichkeit der Minderungsstrategien von dem betrachteten Zeithorizont abhängt, der sich aus der Kohlenstoffdynamik im Boden ergibt. Kurzfristig bieten Strategien, die die Kohlenstoffbindung fördern, ein größeres Minderungspotenzial, was jedoch langfristig nicht zutrifft. Kurzfristig wurden in Brasilien und den USA die geringsten Minderungskosten durch die Optimierung der Stickstoffdüngung erreicht. Diese Kosten sind negativ, was bedeutet, dass die Anwendung dieser Strategien, nicht nur ihre Emissionen, sondern auch ihre Kosten senken würden. Weitere kosteneffiziente Strategien waren die Verringerung der Bodenbearbeitungsintensität und Zwischenfrüchte, die in allen Fällen mit vergleichbaren Minderungskosten durchführbar waren und die Kohlenstoffbindung fördern. Der Einsatz von Hemmstoffen schließlich, der in den USA und in Brasilien möglich war, hatte die höchsten Minderungskosten. Langfristig betrachtet stiegen die Minderungskosten von Strategien mit Kohlenstoffbindung an und waren ähnlich hoch oder höher als bei Strategien ohne Kohlenstoffbindung. Da in allen Fällen dieselbe Methodik angewandt wurde, sind die Ergebnisse vergleichbar. Darüber hinaus sind die Ergebnisse zwar spezifisch für den Kontext, in dem sie berechnet wurden, sie liefern jedoch Erkenntnisse für ähnliche Regionen. / Nitrogen fertilization and soil management are the main sources of greenhouse gases from cropping systems. Yet these operations are essential on arable farms. Considering the need to take quick action against climate change, it is necessary to understand which mitigation potentials and cost can be attained in these farms and how they compare. Case studies in the USA, Brazil and in Germany were conducted, assessing one crop in each region. Scientific literature and focus groups with local experts were used to generate realistic results which depict the local context. This thesis identified that the economics of the mitigation strategies depended on the time horizon considered, which results from the carbon dynamics in the soil. In the short term, strategies promoting carbon sequestration offer a larger mitigation potential, yet this is not valid in the long term. In the short term, the lowest mitigation costs were attained by optimizing the nitrogen rate, feasible in the USA and Brazil. These costs are indicated to be negative, implying that adopting the strategy would not only lower emissions, but also reduce their costs. The next most cost efficient strategies were the reduction of the tillage intensity and cover crops, which were feasible in all cases with comparable mitigation costs and promote carbon sequestration. Lastly, the adoption of inhibitors, feasible in the USA and in Brazil, had among the highest mitigation costs. Assuming the long term, the mitigation costs of strategies with carbon sequestration increased, becoming similar to or higher than strategies without carbon sequestration. By applying the same methodology in each case, the results are comparable. Moreover, while the findings are specific to the context in which they were calculated, they provide insights for similar regions.