bodenstruktur die funktionelle architektur des bodens...federal department of economic affairs,...
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Federal Department of Economic Affairs,
Education and Research EAER
Agroscope
www.agroscope.ch I good food, healthy environment
Bodenstruktur – die funktionelle Architektur des Bodens
Thomas Keller1,2 und Peter Weisskopf1
1Agroscope, Forschungsbereich Agrarökologie & Umwelt, Zürich, Schweiz(E-mail: [email protected])
2Swedish University of Agricultural Sciences, Department of Soil & Environment, Uppsala, Sweden
2
Was ist Bodenstruktur?
Photo: Gaby Brändle Agroscope, Switzerland
3
Was ist Bodenstruktur?
Photo: Bettina Marbot, Agridea, Switzerland
4
Beispiel: Bodenstruktur und funktionale Eigenschaften nach 20 Jahren Direktsaat und Pflug
Photos: Ingrid Martínez, Agroscope (CH)
Pflug
Direktsaat
Martínez et al. 2016. Soil & Tillage Research 163.
Lagerungsdichte (Mg m-3) org C (%)
Bo
den
tief
e(c
m)
5
Ertrag von verschiedenen Kulturen: Direktsaat vs. konventionelle Bodenbearbeitung
(Meta-Studie)
Pittelkow et al. 2015. Field Crops Research 183
Alle Kulturen
Ölsaaten, Baumwolle
Hülsenfrüchte
Getreide
Diverse
Hackfrüchte
Weizen
Diverse Getreide
Reis
Mais
ErtragseinbusseDirektsaat (%)
Ertrag konventionelleBodenbearbeitung
ErtragseinbusseDirektsaat (%)
Ertrag konventionelleBodenbearbeitung
Alle Kulturen Getreide
6
0 2000 6000 100000
12
34
56
y [hPa]
Me
ch
an
ica
l im
pe
da
nce
[M
Pa]
R2 = 0.33, p = 0.052
0 2000 6000 10000
01
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45
6
y [hPa]
Me
ch
an
ica
l im
pe
da
nce
[M
Pa]
R2 = 0.80, p < 0.01
0 2000 6000 10000
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6
y [hPa]
Me
ch
an
ica
l im
pe
da
nce
[M
Pa]
R2 = 0.54, p < 0.01
0 2000 6000 10000
01
23
45
6
y [hPa]
Me
ch
an
ica
l im
pe
da
nce
[M
Pa]
R2 = 0.68, p < 0.01
2015−06−18 2015−08−03 2015−09−18
01
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6
Date
log
10 y
[h
Pa
]
2015−06−18 2015−08−03 2015−09−180
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Date
log
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[h
Pa
]
a) b)
e) f)
c) d)
g) h)
Wenn wir den Boden verdichten…Colombi et al. 2018 Science of the Total Environment In press.
0 2000 6000 10000
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R2 = 0.33, p = 0.052
0 2000 6000 10000
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R2 = 0.80, p < 0.01
0 2000 6000 100000
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y [hPa]
Me
ch
an
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[M
Pa]
R2 = 0.54, p < 0.01
0 2000 6000 10000
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y [hPa]
Me
ch
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[M
Pa]
R2 = 0.68, p < 0.01
2015−06−18 2015−08−03 2015−09−18
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Date
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Date
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Pa
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a) b)
e) f)
c) d)
g) h)
Verdichtet:
Unverdichtet:
feucht… ….trocken
we
ich
……
.har
t
feucht… ….trocken
we
ich
……
.har
t
feu
cht…
….t
rock
en
feu
cht…
….t
rock
en Q: sehr hoch
Q: sehr hoch
Q: hoch
Q = mechanischer Widerstand
10 cm Bodentiefe
10 cm Bodentiefe
Ertrag: 17.1 Mg ha-1
Ertrag: 5.9 Mg ha-1
7
Wie lange bleibt ein verdichteter Boden verdichtet?
Keller et al. 2017. Vadose Zone Journal 16
8
Feldversuch Bodenstrukturregeneration nachVerdichtung – “Soil Structure Observatory (SSO)”
Keller et al. 2017. Vadose Zone Journal 16
Initiale Verdichtung mit 8 Tonnen Radlast im März 2014
Vier Bewirtschaftungsverfahren (nach der Verdichtung begonnen):• Dauerwiese (natürliche Regeneration mit Pflanzen)• Schwarzbrache (natürliche Regeneration ohne Pflanzen)• Fruchtfolge ohne mechanischer Bodenlockerung
(Direktsaat)• Fruchtfolge mit mechanischer Bodenlockerung (Pflug)
Monitoring Bodenzustand (Feuchtigkeit, Temperatur, CO2 und O2 in der Bodenluft, Redox-Zustand)
Regelmässige Beprobung: Bodenstruktur und funktionelleEigenschaften, Regenwurmpopulationen, Pflanzeneigenschaften
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Einfluss von Verdichtung auf die Porenstruktur
Keller et al. 2017. Vadose Zone Journal 16
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Entwicklung Lagerungsdichte, 0.1 m Tiefe(relativ zu unverdichtet, Dauerwiese)
PG – DauerwieseBS – SchwarzbracheNT – Fruchtfolge, DirektsaatCT – Fruchtfolge, Pflug
Rel
ativ
e La
geru
ngs
dic
hte
Monate nach VerdichtungVerdichtungBodenbearbeitung (nur CT)
11
Entwicklung rel. Gasdiffusionskoeff., 0.1 m Tiefe(relativ zu unverdichtet, Dauerwiese)
PG – DauerwieseBS – SchwarzbracheNT – Fruchtfolge, DirektsaatCT – Fruchtfolge, Pflug
Rel
ativ
e G
asd
iffu
sio
n
Monate nach VerdichtungVerdichtungBodenbearbeitung (nur CT)
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PG – DauerwieseBS – SchwarzbracheNT – Fruchtfolge, DirektsaatCT – Fruchtfolge, Pflug
Rel
ativ
e G
asd
iffu
sio
n
Entwicklung rel. Gasdiffusionskoeff., 0.3 m Tiefe(relativ zu unverdichtet, Dauerwiese)
Monate nach VerdichtungVerdichtung
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Natürliche Prozesse:
• Abiotische Prozesse: Schrumpf-Quell-Vorgängeaufgrund Austrocknung-Benetzungszyklen und Gefrier-Tau-Vorgängen
• Biotische Prozesse: Wurzel-Boden-Interaktionen, Bioturbation durchRegenwürmer
Anthropogene Prozesse:
• Bodenbearbeitung
Regenerationsmechanismen, oder allgemeiner: Bodenstrukturfördernde Prozesse
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«Vortriebsleistung» von Bodenorganismen
Regenwürmer: Jährliche Transportraten (MengeBoden, die durch den Darm von Regenwürmer passiert) kann sich auf mehrere Hundert Tonnen Boden pro Hektare belaufen (Drake & Horn 2007. Ann. Rev. Microbiol. 61)
Bodennistende Wildbienen:Watanabe (1997) berechnete die MengeBoden, die von Andrena prostimias in einem japanischen Tempelgarten “zu Tagegefördert wurde” auf 27 Mg ha-1.(Watanabe 1997. App. Soil Ecol. 9)
Sarzetti et al. 2013. J. Hymenoptera Res. 33Photo: Thomas KellerPhoto: Bettina Marbot, Agridea (CH)
15
Wieviel Energie braucht eine Wurzel oder ein Regenwurm, um neue Porenräume zu schaffen?
Ruiz et al. 2017. Vadose Zone Journal 16
Regenwürmer brauchen ca. 3 mal mehr Energie als Wurzeln, da sie ca. 1000 mal schneller sind
Wurzeln können einen fast 10 mal höheren Druck ausüben als Regenwürmer
Deshalb können Wurzeln unter trockeneren Bodenbedingungen noch wachsen, während der Widerstand für Regenwürmer zu hoch ist
Wassergehalt (g g-1)
Me
chan
isch
eEn
erg
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m-1
)
Rad
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pan
nu
ng
(“D
ruck
”) (
kPa)
16
Wurzelwachstumsrate = f (mechanischer Widerstand im Boden, Wurzeleigenschaften)
Colombi et al. 2017. Plant Physiology 174
«Spitzige» Wurzeln wachsen schneller
Durch Selektion oder Züchtung könnten Sorten ausgewählt/gefunden werden, dessen Wurzeln schneller wachsen.
Dadurch könnte potenziell ein grösseres Bodenvolumen erschlossen werden, was:1. zu Ertragsstabilität führt, und2. die Bodenstrukturentwicklung (z. B. nach einem Verdichtungsschaden) beschleunigt
Mechanischer Widerstand
Wu
rze
l-W
ach
stu
msr
ate
17
Und wieviel Kohlenstoff braucht ein Regenwurm für die Bioturbation?
“schneller” Regenwurm“langsamer” Regenwurm
Ruiz et al. 2017. Vadose Zone Journal 16
Org C
Regenwurm-Bioturbation
Boden-qualitätPflanzen-
wachstum
Wurzeln
Wassergehalt (g g-1)M
ech
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che
Ene
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(J m
-1)
Org
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wu
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(g m
-1)
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Schlussfolgerungen
• Die Bodenfunktionalität ist an die Bodenstruktur gekoppelt
• Bewirtschaftung und Befahrung haben einen grossen Einfluss auf die Bodenstruktur und Bodenfunktionen
• Relevante Zeitskalen Bodendegradation (z. B. Bodenverdichtung):• Degradation (Verdichtung): Sekunden• Bodenstrukturaufbau/Regeneration
Oberboden: Jahre• Regeneration Unterboden: Jahrzehnte
• Potenzial: natürliche Prozesse besser unterstützen (ausnützen), um die Bodenstrukturentwicklung zu beschleunigen
With permission of Sarah McClelland, http://littlebinsforlittlehands.com/
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Vielen Dank
Tino Colombi, Jan Rek, René Reiser, Hansruedi Oberholzer, Viktor Stadelmann, Marlies Sommer, Annika Tella, Lina Grahm, Andrea Bonvicini, Susanne Müller, Franco Widmer, Fritz Käser, Stefan Schwarz, Ernst Uhlmann, Dani Schmid, Marcel Locher, Hanspeter Müller, Sepp Helbling, Theodor Neukomm, Andres Sauter, Beat Kürsteiner Agroscope
Dani Or, Siul Ruiz, Stan Schymanski, Hans Wunderli, Dani Breitenstein, Norbert Kirchgessner, Achim Walter ETH Zürich
Andreas Chervet, Wolfgang G. Sturny Bodenschutz LANAT Zollikofen
Matthias Stettler HAFL Zollikofen
Ararso Etana, Inge Håkansson, Tomas Rydberg SLU, Uppsala, Sweden
Finanzierung:
SNF Schweizerischer Nationalfonds, Nationales Forschungsprogramm NFP 68 «Nachhaltige Nutzung der Ressource Boden», grant no. 406840-161902
Formas The Swedish Research Council for Environment, Agricultural Sciences and Spatial Planning