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Bedeutung physikalischer Bodeneigenschaften

Projektdaten

  • Status: abgeschlossen
  • Mitarbeiter/in: Heinz-Josef Koch
  • Kategorie: Boden, Pflanzenernährung

"Zu den wichtigsten Aufgaben der Bodenbearbeitung zählt ( . . . ) die Befriedigung der Ansprüche, die die Kulturpflanzen an die physikalischen Eigenschaften des Bodens stellen ( . . . )". Diese Aussage von W. Czeratzki (1972), Professor für Acker- und Pflanzenbau der ehemaligen FAL Braunschweig, gilt unverändert. Sie ist heute möglicherweise um so wichtiger, weil andere produktionstechnische Reserven wie Bestandesdichte, Unkrautbekämpfung, Düngung und Pflanzenschutz weitgehend optimiert sind. In manchen Regionen Deutschlands hat die reduzierte, flach mischende Bearbeitung zu Zuckerrüben mit dem Grubber die tief wendende Bodenbearbeitung mit dem Pflug weitgehend ersetzt. Werden dabei die Vorteile reduzierter Bodenbearbeitung wie Erosionsschutz, Wassereinsparung, Schlagkraftsteigerung und Dieseleinsparung mit einer ungünstigeren Bodenstruktur erkauft, die Ertrag kostet? Ein weiterer Aspekt ist die Befahrung des Bodens mit schweren landwirtschaftlichen Maschinen: Sie kann die Bodenstruktur ungünstig verändern. Gleichzeitig werden so unterschiedliche Verfahren der Bodenbearbeitung wie der Dammanbau oder die Schlitzsaat von Zuckerrüben diskutiert.

Unter Bodenstruktur oder Bodengefüge wird die räumliche Anordnung der festen Bodenbestandteile (organisch, mineralisch) und des korrespondierenden Porenraumes verstanden. In Abbildung 1 sind zwei Zustände der Struktur eines Bodens gegenüber gestellt. Für die Pflanze ist dabei entscheidend, dass ihr alle essentiellen Wachstumsfaktoren (Wasser, Nährstoffe, Sauerstoff, Temperatur) zu jedem Zeitpunkt ihrer Entwicklung in optimaler Menge zur Verfügung stehen. Dazu müssen die Bodenfunktionen in den Bereichen Wasser-, Gas- und Nährstoffhaushalt sowie die mechanischen Eigenschaften optimal ausgeprägt sein.

Abbildung 1    

 

Um die Bodenfunktionen zu quantifizieren und damit für eine Ursache-Wirkungs-Analyse nutzen zu können, müssen sie durch Messparameter erfasst werden. Diese Messparameter können mit dem Pflanzenwachstum in Beziehung gesetzt (Abbildung 2, Tabelle 1) und optimale Zustände der Bodenstruktur abgeleitet werden.

Abbildung 2

 

Tabelle 1: Messparameter und Quantifizierungsmöglichkeiten von Bodenfunktions-Zuständen.

Bodenfunktion  Parameter  Physikalische
 Einheit
 Gas-/Sauerstoffspeicherung

Luftkapazität

 % v/v,
 m3 100 m-3
 Gas-/Sauerstofftransport

Luft-/pneumatische Leitfähigkeit

Permeabilität

O2-Diffusionskoeffizient

 m d-1
 m
2
 m2 d-1
 Wasserspeicherung

 Pflanzenverfügbares Wasser 
= Nutzbare Feldkapazität

 % v/v
 m3 100 m-3
 Wassertransport

Hydraulische Leitfähigkeit, Infiltrationsrate

 m d-1

 Durchwurzelbarkeit/ 
 Mechanischer Widerstand

Trockenrohdichte

Eindringwiderstand

Scherwiderstand

Aggregatstabilität

Mg m-3
MPa
MPa
delta GMD, %

In Großflächenvergleichen auf Betrieben des Geschäftsbereichs Landwirtschaft der Südzucker AG wurde festgestellt, dass stark reduzierte, flach mulchende Bodenbearbeitung und Direktsaat auf Lössboden zu deutlichen Ertragsverlusten bei Zuckerrüben führten. Es wurde untersucht, ob dieser Minderertrag gegenüber tief lockernder oder wendender Bodenbearbeitung allein durch die geringere Bestandesdichte der Zuckerrüben oder zudem durch einen ungünstigen Zustand der Bodenstruktur bedingt war. Dazu wurden auf den Flächen mit differenzierter Bodenbearbeitung systematische Bestandesdichteversuche angelegt, in denen wichtige bodenphysikalische Kenngrößen zur Beschreibung des Zustandes der Bodenstruktur bestimmt wurden. Die Ertragsunterschiede im Bereinigten Zuckerertrag zwischen den Bearbeitungsverfahren waren nur zu einem kleinen Teil durch die unterschiedliche Bestandesdichte (50.000 und 90.000 Pflanzen ha-1) bedingt. Weitaus größeren Einfluss auf den Ertrag hatte die unterschiedliche Bodenstruktur in der Krume. Insbesondere die Lagerungsdichte als Maß für die mechanische Festigkeit des Bodens führte bei Werten oberhalb von 1,4 g cm-3 in der obersten Bodenschicht (3-7 cm) zu sinkenden Erträgen. Bei sehr niedrigen Werten < ca. 1,25 g cm-3 traten ebenfalls Ertragsverluste auf. Parallel dazu nahm der Ertrag mit steigendem Eindringwiderstand und sinkender Luftkapazität ab (Abbildung 3).
 

Einfluss von Lagerungsdichte (A), Eindringwiderstand (B) und Luftkapazität (C) auf den Bereinigten Zuckerertrag (BZE), 5 Umwelten, 2003-2005

EEinfluss des Eindringwiderstands auf den Ertrag, Systemversuch Harsteine weitere Studie auf Lössboden wurde am Standort Harste bei Göttingen in einem 1992 angelegten Versuch mit dauerhaft differenzierter Bodenbearbeitung durchgeführt (30 cm tief gepflügt, <10 cm tief gegrubbert; 3 Felder). Zusätzlich zur Versuchsbewirtschaftung mit leichten Maschinen wurde eine Hälfte jeder Bodenbearbeitungsparzelle ab Herbst 2001 jährlich ein Mal mit einem praxisüblichen Rübenroder (Radlast 8-12 t) bei feucht-nassem Boden Spur an Spur befahren. Nach insgesamt dreimaliger Befahrung einer Teilparzelle wurden erneut Zuckerrüben angebaut, durch den zeitversetzen Beginn der Befahrung je Feld ein Mal im Zeitraum 2004-2006. Im April/Mai wurden Lagerungsdichte, Eindringwiderstand, Luftkapazität und pneumatische Leitfähigkeit erfasst, Ende September wurde beerntet. Die Regressionsanalyse ergab für die beprobten Tiefen 5-10, 40-45 und 55-60 cm keine signifikanten Beziehungen zwischen Bodenparametern und Ertrag. Dagegen traten in 30-35 cm vereinzelt und in 18-23 cm Tiefe bis auf eine Ausnahme stets signifikante Beziehungen auf: Niedrigere Lagerungsdichten bzw. Eindringwiderstände sowie eine höhere Luftkapazität und pneumatischer Leitfähigkeit korrelierten mit steigenden Erträgen. Von den untersuchten Bodenstruktur-Parametern besaß der Eindringwiderstand in der Regel die engste Beziehung zum Ertrag.

In einer weiteren Studie standen Ursachen für den häufig beobachteten Mehrertrag bei Dammanbau im Vergleich zu Flachanbau im Mittelpunkt. In gemeinsamen Versuchen mit der Nordzucker AG und der ARGE Nord wurden auf Sand- und Lössboden der Region Uelzen neben Parametern der Bodenstruktur auch die Bodentemperatur (3-5 cm Tiefe) gemessen. Die Temperatursumme (Σ Tagesmittel für einen definierten Abschnitt der Vegetationszeit) wurde in Beziehung zum Pflanzenwachstum gesetzt (Tabelle 2).

 Tabelle 2: Korrelations-Koeffizienten zwischen bodenphysikalischen Parametern und Zuwachsraten von Zuckerrüben (Blatt plus Rübe) in vier Abschnitten der Vegetationsperiode (Z1-4) am Standort Suderburg (Sandboden, 2006-2007). Ein Korrelationskoeffizient nahe |1| zeigt eine sehr enge Beziehung an; + bzw. - zeigt die Richtung der Beziehung. Werte in Fettdruck indizieren Signifikanz (p<0,05).

  Zeitraum Temperatursumme Boden 3-5 cm Eindringwiderstand
Z1Z2Z3 Z4 0-15 cm16-30 cm 
 Aussaat-Mai (Z1)

 0,86

     

 -0,83

 -0,64

 Mai - Juni (Z2)  

0,56 

   

 -0,75

 -0,62

 Juni-August (Z3)    

-0,12 

 

 -0,35

 -0,40

 August - Oktober (Z4)      

-0,51 

 -0,48

 -0,31

Die Variation der Bodentemperatur von der Saat bis zur Ernte im Mai hatte den deutlich größten Einfluss auf die Höhe der Zuwachsrate (Abbildung 5 links) und verlor mit fortschreitender Vegetationszeit an Bedeutung. Im Zeitraum Mai bis Juni wies demgegenüber der Eindringwiderstand die engste Beziehung zum Ertragszuwachs auf (Abbildung 5 rechts). Ab Juni waren die Unterschiede im Zuwachs insgesamt nur noch gering und die Korrelationen zu den Bodenparametern deutlich schwächer als vor diesem Termin.

Abbildung 5: Korrelations zwischen Temperatursumme bzw. Eindringwiderstand des Bodens und der Zuwachsrate von Zuckerrüben (Blatt plus Rübe) in zwei Abschnitten der Vegetationsperiode am Standort Suderburg (Sandboden, 2006-2007).


Die gemeinsame Betrachtung dieser Ergebnisse zeigt Folgendes:

  •  In der Phase bis deutlich vor Reihenschluss wird das Wachstum von Zuckerrüben maßgeblich durch die Bodentemperatur gesteuert. Maßnahmen, die die Erwärmung des Bodens im Frühjahr fördern, sind deshalb auch förderlich für das Wachstum. Sie gehen häufig auch mit einer Steigerung der Luftkapazität und der Verminderung des Bodenwiderstandes einher.
  • Ab Reihenschluss ist vor allem die mechanische Festigkeit des Bodens in der Krume für das Wachstum wichtig. Überschreitet der Eindringwiderstand beim üblichen Messtermin im Frühjahr (Boden nahe Feldkapazität) einen Wert von 0,5 bis 1 MPa, so ist mit Ertragseinbußen zu rechnen. Auf Sandboden lag der Wert sogar noch niedriger.

Interessanterweise ging in keinem unserer Versuche mit einem erhöhten Eindringwiderstand bis ca. 2 MPa eine verminderte Durchwurzelung oder eingeschränkte Wasser- oder Nährstoffversorgung einher. Deshalb vermuten wir, dass die Zuckerrübe über einen Mechanismus verfügt, der zu einem verminderten Wachstum führt, auch wenn der Bodenwiderstand unterhalb des Schwellenwertes für das Wurzelwachstum bleibt. Aus Untersuchungen mit Mais ist bekannt, dass Wurzeln den mechanischen Widerstand des Bodens erfassen und über ein hormonelles Signal (Abscisinsäure) an die Blätter leiten können. Dort löst das Signal das Schließen der Stomata aus und senkt damit die Assimilationsleistung und das Wachstum.

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Veröffentlichungen

Schäfer-Landefeld, L.; R. Brandhuber; S. Fenner; H.-J. Koch; N. Stockfisch, 2004, Soil & Tillage Research Nr. 75, Elsevier, S. 75-86
Krause, U.; H.-J. Koch; B. Märländer, 2009, Europ. J. Agronomy, Elsevier, S. 20-28
Koch, H.-J., J. Dieckmann, A. Büchse, B. Märländer, 2009, European Journal of Agronomy 30, S. 101-109
Krause, U.; H.-J. Koch; G. Sander; G. Schlinker, 2008, Sugar Industry Nr. 133(11), S. 689-698
FaLang translation system by Faboba
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