Boden macht sich vom Acker

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1 Pflanzliche Erzeugung Landinfo 1/2010 Dr. Norbert Billen, BodenGut - Büro für nachhaltige Bodennutzung, Stuttgart Boden macht sich vom Acker Entstehung und Verminderung der Erosion durch Wasser Wenn sich der Boden vom Acker macht, geschieht dies, abgesehen von Baumaßnahmen, zumeist im Rahmen der Bodenerosion. Dieses ist ein natürlicher Prozess, der durch menschliche Aktivitäten oftmals erst ermöglicht und im Laufe des Klimawandels möglicherweise verstärkt auftreten wird. So haben z.b. Kunz und Kottmeier (2005) aufgezeigt, dass die Anzahl der Gewittertage im Mittel von 13 Klimastationen in Baden-Württemberg zwischen 1949 und 2000 von rund 12 auf zugenommen hat. Allerdings wird der Erosionsprozess oftmals durch menschliche Aktivitäten erst ermöglicht oder gefördert. Die Erosion selbst umfasst die Ablösung, den Transport und die Ablagerung von Bodenpartikeln. Die Verlagerung übernehmen Wasser, Wind oder Schwerkraft. Verlieren diese ihre Transportenergie, kommt es zur Ablagerung des Bodenmaterials. Dies kann direkt auf dem erodierten Feld, auf benachbarten Flächen oder auch in anderen Regionen geschehen. Für einen Ackerschlag ist dabei nicht nur wichtig, welche Menge an Boden verloren geht, sondern auch welchen Anteil diese Menge am vorhandenen Boden ausmacht. Je flachgründiger ein Boden ist, also je weniger Boden vorhanden ist, desto schneller geht die aktuelle Bodenfruchtbarkeit durch Erosion verloren. Dadurch sinkt das Wasser- und Nährstoffangebot sowie die pflanzenbaulichen und wirtschaftlichen Erträge. 28 Beispielsweise gehen bei einem jährlichen Verlust von durchschnittlich 1,5 mm schluffiglehmigem Boden mit einer Ackerzahl von 40 und einer Bodentiefe von 50 cm in 10 Jahren 3 % des Gesamtbodens verloren, hingegen 1,5 % bei einer Ackerzahl von 80 und einer Bodentiefe von 100 cm. Bei einem Hektar Ackerfläche bedeutet dies den Verlust von rund 200 t Ackerkrume, Liter Speicherraum für pflanzenverfügbares Wasser, kg Humus und 350 kg Stickstoff. Entstehung Ob und wie viel Boden durch Wasser von einem Schlag abgeschwemmt wird, hängt zum einen von natürlichen Faktoren ab: Dem Landschaftsrelief, also der naturräumlichen Geländegestalt, d.h. der Hangneigung, Hanglänge und Hangform eines Ackerschlages. Der erosionswirksamen Regenereignisse, insbesondere zu Zeiten unbedeckter Böden. Bedeutend hierbei ist die Häufigkeit, die Intensität, die Dauer und die zeitliche Verteilung der Niederschläge. Den Eigenschaften der Böden, d.h. einerseits der Verschlämmungsneigung, die wiederum abhängig ist von der Bodenart und dem Humusgehalt; Andererseits aber auch von der Bodenlagerungsdichte und der Bodenfeuchte. Zum anderen hängt die Bodenerosion von menschlichen Aktivitäten ab: Der Landbewirtschaftung, d.h. der Fruchtfolgegestaltung, dem Bodenbearbeitungsverfahren und der Oberflächenrauhigkeit sowie der Bodenbedeckung mit Pflanzenresten. Der Flurgestaltung, d.h. den Feldgrößen, der Feldanordnung in der Landschaft und der begleitenden Vielfalt von Landschaftsstrukturen wie z.b. Hecken. Erosionsformen Bei der Erosion durch Wasser wird zwischen dem häufig nicht eindeutig erkennbaren flächenhaften Bodenabtrag und dem zumeist gut erkennbaren rinnenförmigen Bodenabtrag unterschieden. Einige Merkmale sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Beide Erosionsformen zusammen ergeben die Gesamterosion. Analyse Für das Ausmaß und die Bewertung von Bodenerosion gibt es keine Grenzwerte im engeren Sinne. Das Aufzeigen von Bodenerosion erfolgt deshalb mit unterschiedlichen Methoden: Beim Bezug auf den aktuellen Zustand, der auch die Ereignisse der Vergangenheit widerspiegelt, geschieht dies z.b. mit fachtechnischen Gelände- und Bodenaufnahmen oder mit dem analytischen Nachweis von ungleich verteilten Tracern (z.b. Cs137). Zum Zweck der Dokumentation aktueller Vorgänge und Maßnahmenwirkungen können Sedimentfangkästen am Hangfuß eines Feldes oder begrenzter Messparzellen installiert oder Beregnungsversuche durchgeführt werden. Zur Beschreibung oder Prognose des Erosionsrisikos eines Feldes können zwei Wege beschritten werden: - Einen pragmatischen Ansatz bietet die Allgemeine Bodenabtrags-Gleichung ABAG (DIN 19708), die für

2 Landinfo 1/2010 Pflanzliche Erzeugung Tabelle 1: Ausgewählte Merkmale von Flächenerosion und Rinnenerosion. Flächenerosion - Verschlämmung der Bodenoberfläche - Kleinflächige Verspülungen - Abtrag und Ablagerung feinen Bodenmaterials häufig nebeneinander - Zumeist auf einzelne Schläge beschränkt - Bei Kulturen mit wenig Bodenbedeckung - Ursache zumeist auf dem Schlag (Auslöser ist eine dortige Wasseransammlung, z.b. aufgrund fehlender Infiltration) - Kaum beobachtbar - Nur mit großem Aufwand messbar Rinnenerosion - Flache Rillen, mitteltiefe Rinnen oder tiefe Gräben, manchmal mehrere 100 m lang - Einzelne, nebeneinander oder vernetzt - Abtrag und Ablagerung zumeist getrennt - Oft über mehrere Schläge erstreckt - Kann in allen Kulturen auftreten - Ursache auf dem Schlag (Auslöser ist eine dortige Wasseransammlung) und bzw. oder im Oberhang (Auslöser ist ein Wasserzufluss von dort oder von Wegen) - Gut beobachtbar - Einfach messbar, z.b. mit Maßstab den Vollzug der Cross- Compliance Reglungen generalisierende Informationen liefert, in Arbeitshilfen und Leitfäden für Landwirte und Berater feld- und betriebsspezifische Informationen ermöglicht (Beispiel siehe Tab. 2), auch im Zusammenhang mit Nutzungsänderungen wie dem vermehrten Anbau von E- nergiepflanzen[nbi1], oder eine landesweite Übersicht zu Risikoregionen gibt (z.b. Erosionsatlas BW von Gündra et al. 1995). - Einen planerischen Ansatz bieten Bodenerosionsmodelle wie z.b. Erosion-3D oder LI-SEM, die auch Zusammenhänge zwischen Einzelfeldern und Wassereinzugsgebieten für die Bodenerosion und den Wasserabfluss darstellen können. Sie stellen somit auch eine wichtige Grundlage für Beurteilungen im Zusammenhang mit der Wasserrahmenrichtlinie dar (Übersicht z.b. bei Botschek et al. 2010). Tabelle 2: Der Nachweis oder die fundierte Prognose von Bodenerosion muss in der Regel von Experten mit fachtechnischen Untersuchungen durchgeführt werden. Eine Orientierung für die landwirtschaftliche Praxis oder Beratung können aber auch Leitfäden (z.b. LAP et al. 2005) oder PC-Programme (z.b. LFL 2008) geben Schadwirkungen Exemplarische Prognose von Bodenerosion mit und ohne Schutzmaßnahmen mittels der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG) nach DIN zur feld- und betriebsspezifischen Orientierung. Bodenbewirtschaftung Konventionell Konservierend Hanglänge Hangneigung Bodenart Jahresniederschlag Bodenbearbeitung Reihenfruchtanteil 400 m 10 % schluffiger Lehm 720 mit Pflug 33 % 200 m 1) 10 % schluffiger Lehm 720 ohne Pflug 33 % Erosion t/ha *a ) Halbierung der Hanglänge durch Schlagteilung Im Gegensatz zu stofflichen Bodenveränderungen wie Nähr- oder Schadstoffanreicherung existieren für die Schadwirkungen durch Bodenerosion keine Grenzwerte. Insgesamt hat der Verlust des Bodens vom Acker jedoch nicht nur Schäden auf dem Feld selbst (= On Site Schäden) zur Folge, sondern auch außerhalb des Feldes (Off Site Schäden). Es sind also eine Vielzahl von Schutzgütern betroffen, beispielsweise bei: On Site Schäden Boden: Reduktion oder Verlust der landwirtschaftlichen Produktivität oder der Wasserspeicherkapazität. Schäden an den Nutzpflanzen (Ernteausfall). Erhöhung des Zeit- und Kostenaufwandes für z.b. Neube- 29

3 Pflanzliche Erzeugung Landinfo 1/2010 stellung des Feldes, Düngemittel- und Herbizidaustrag. Off Site Schäden: Gebäudeschäden aufgrund des Abflusses und eingeschwemmten Bodenmaterials (erhöhte Reinigungskosten). Gewässer (Eutrophierung, Toxifizierung). Erhöhte Reinigungskosten des Kanalnetzes. Folgekosten durch Verschüttung der Wirtschaftswege. Erschwerung der Bewirtschaftung durch Uneinheitlichkeit der Ackerschläge. Schutzplanungen Vor der Umsetzung von Schutzmaßnahmen ist eine generelle Planung vorteilhaft, weil potenzielle Maßnahmen im Kontext zu sehen sind von Standort, Feldparzellierung, Maßnahmenkosten, Betriebssituation, Markt/ Produktnachfrage oder Politischem Rahmen. So führt in der Regel nicht eine einzelne Maßnahme zu merklichen oder erforderlichen Verbesserungen, sondern ein Maßnahmenpaket, das im Diskurs mit den Flächenbewirtschaftern sowie landwirtschaftlichen und fachtechnischen Beratern entwickelt werden sollte. Dabei sind dann auch die Ursachen der Bodenerosion aufzuzeigen, denn nicht jede Maßnahme bietet Schutz bei jeder Ursache. Für pflanzenbauliche Aspekte sind dies: Unzureichende Bodenbedeckung, was zu einem ungebremsten Aufprall von Regentropfen und damit zur Oberflächenverschlämmung führen kann. Unzureichende Bodenkrümelstabilität, was zu einer raschen Oberflächenverschlämmung führen kann. Unzureichende Abflussregulierung, was zu einem verstärkten Abfluss von Oberflächenwasser und Bodenmaterial führen kann. Schutzmaßnahmen Es gibt eine große Anzahl von Schutzmaßnahmen, die prinzipiell in drei Handlungskategorien eingeteilt werden können und der Verminderung von Bodenerosion und bzw. oder Wasserabfluss dienen können (siehe Tab. 3): Pflanzenbauliche Maßnahmen, welche die Ursachen der Erosion direkt auf dem Feld, also die On Site Schäden, wirksam reduzieren oder verhindern können durch Verbesse- Tabelle 3: Übersicht zur Wirkung und Umsetzung von Maßnahmen aus verschiedenen Handlungskategorien zur Verminderung von Erosion und Wasserabfluss. Wirkung 30 Handlungskategorie Landschaftsstruktur Flächenmanagement Pflanzenbau Reduziert Wasserabfluss und Erosionsschäden Reduziert Entstehung von Wasserabfluss und Erosion Wirkungsort Außerhalb eines Feldes Im und/ oder außerhalb eines Feldes Wirkungsdauer Umsetzung Beispiele Meistens dauerhafte Anlage Häufig mittelfristige Anlage, aber jährliche Bestandsprüfung Häufig kommunal, also außerbetrieblich - Anlage von Ackerrandstreifen - Anlage von Hecken - Dezentraler Rückhalt, z.b. in Geländemulden - Regelung Fremdwasserzufluss - Regelung besonderer Spenderflächen im Schlag Inner- und/ oder überbetrieblich - Hang- und Schlagteilungen - Kooperierende Anbauplanung - Virtuelle Flurneuordnung - Flurneuordnung - Flächenumwidmung Verbesserte Bodenstruktur fördert Wasserinfiltration Innerhalb eines Feldes Häufig jährliche Umsetzung Meistens innerbetrieblich - Erhöhung Bodendeckungsgrad - Fruchtfolgeänderung - Zwischenfrüchte - Temporäre Untersaat - Konservierende Bodenbearbeitung - Direktsaat - Querdammhäufelung - Tiefenlockerung - Querbewirtschaftung - Verminderung mechanischer Bodenbelastung - Fahrspurbegrünung - Erhöhung Humusgehalt / Aggregatstabilität

4 Landinfo 1/2010 Pflanzliche Erzeugung rung der Bodenstruktur. Dazu zählen z.b. der allgemein bekannte Anbau von Zwischenfrüchten oder die konservierende Bodenbearbeitung, aber auch ungewöhnlichere Maßnahmen wie die Querdammhäufelung im Kartoffelbau oder die Tiefenlockerung. Positive Nebeneffekte können sein der Erhalt der Bodefruchtbarkeit und positive Beiträge zum Hochwasser- und Klimaschutz. landschaftsstrukturelle Maßnahmen, welche nicht die Erosion selbst sondern die Schäden der Bodenerosion und des Wasserabflusses außerhalb eines Feldes, also die Off Site Schäden, reduzieren oder verhindern können. Dies geschieht z.b. durch Anlage von Ackerrandstreifen oder dezentraler Rückhalteeinrichtungen in Geländemulden. Flächenmanagement, welches die Erosion sowohl im als auch außerhalb eines Feldes reduzieren oder verhindern kann durch teilweise überbetriebliche Maßnahmen wie Hang- und Schlagteilungen, Flächenumwidmung oder virtueller Flurneuordnung. Im Folgenden werden beispielhaft drei Maßnahmen vorgestellt, die weniger verbreitet sind wie z.b. die durch das MEKA geförderte Mulchsaat oder Anbau von Zwischenfrüchten, aber ebenfalls merkliche Schutzwirkungen aufweisen und keine Umstellung eines Bewirtschaftungssystems erfordern. Beispiel Grünstreifen / Ackerrandstreifen Ackerrandstreifen oder auch Grünstreifen sind begrünte Streifen von wenigen Metern Breite entlang von Äckern. Sie können als mehrjähriges Grünland angesät und ergänzend mit Sträuchern oder Bäumen bepflanzt werden oder als einjähriger, d.h. temporärer Gras- oder Getreidestreifen in abflusskritischen Positionen eingesät werden. t/ha bzw. l/m² Abbildung 1: Boden in t/ha Durch eine ganzjährige Begrünung wird im Bereich der Grünstreifen die natürliche Wasseraufnahme der Böden regeneriert. Dies kommt u.a. durch die erhöhte Anzahl von groben Bioporen (z.b. Regenwurmröhren) und eine Vermeidung von Verschlämmung in den Böden der Landschaftselemente zustande. Außerdem wird die Hanglänge verringert, so dass Abfluss und Abtrag von oberhalb gelegenen Flächen gebremst wird. So zeigten Beregnungsversuche von Billen und Lambert (2006) in Randstreifen einen Rückhalt von über 99 % des Bodens, der von oberhalb gelegenen Äckern zufloss, und über 20 % des zufließenden Wassers versickerte in den Randstreifen (siehe Abb. 1). Wasser in l/m² Eintrag Rückhalt Abfluss Rückhalt von eingetragenem Boden und Rückhalt von zufließendem Wasser von einem oberhalb liegenden Acker in einem 12 m breiten Grünstreifen nach Beregnungsversuchen mit 70 l/m 2 in Schwaigern-Massenbach. Die Kosten hängen vor allem von dem Verhältnis der Randstreifenfläche zur Schlagfläche ab sowie von der Rentabilität der durch den Randstreifen eingeschränkten Kulturen. Bezieht man die Kosten auf den gesamten Schlag (zur Vergleichbarkeit mit anderen Maßnahmen) so fallen rund 16 /ha bis 125 /ha (Mittel 50 /ha) an. Bezogen auf einen Quadratmeter Randstreifen liegen die Kosten relativ einheitlich bei 0,11 /m² (Krimly et al. 2007). Beispiel Querbewirtschaftung und Schlagteilung Bei der Querbewirtschaftung wird die in Gefällerichtung stattfindende Bearbeitungsrichtung gegen eine quer zum Gefälle verlaufende Richtung getauscht. Die Querbewirtschaftung ist praxisgerechter als die nah verwandte Kontursaat, bei der die Bearbeitung parallel zu den Höhenlinien stattfindet. Die quer zum Hang verlaufenden Bearbeitungsspuren schaffen bei geringem Seitengefälle stauwirksame Barrieren und Rillen. Bei Hängen mit mehr als 15 % Neigung kann das Wasser jedoch zunehmend seitlich oder in muldenförmigen Tiefenlinien abfließen und zu Rinnenerosion führen. In diesem Fall und bei stärker unregelmäßig geformten Hängen kann die Querbewirtschaftung nur in Kombination mit anderen Maß- 31

5 Pflanzliche Erzeugung Landinfo 1/ Abfluss in % gegenüber Referenz Wasserabfluss Bodenabtrag Referenz (ohne Maßnahme) Querbewirtschaftung Abbildung 2: Mit LISEM (LImburgSoilErosionModel) errechneter Rückgang von Wasserabfluss und Bodenabtrag durch Querbewirtschaftung im Durchschnitt von drei Jahren bei Getreide und Hackfrüchten. Abbildung 3: Querdämme im Kartoffelanbau halten das Wasser von Starkregen auf Feldern bei < 15 % Neigung effektiv zurück, wie hier im Beregnungsversuch (Foto: B. Lambert). nahmen wie z.b. Schlagteilung mit abwechselnden Feldkulturen und Mulchsaat positiv wirken. Modellierungsergebnisse (Assmann et al. 2006, pers. Mitt.) zeigen, dass der Bodenabtrag durch Querbewirtschaftung bei einem 100- jährlichen Ereignis um 25 % und der Wasserabfluss um 5 % verringert werden kann (siehe Abb. 2[NBi2]). Die Kosten der Querbewirtschaftung hängen sehr stark von der Schlagform ab. Im günstigsten Fall (Schlag bereits quer zum Hang oder quadratisch) treten keine Mehrkosten auf. Unter ungünstigeren Bedingungen können die Kosten bis auf 320 /ha steigen, wobei der Mittelwert bei 100 /ha liegt. Um die Kosten unter 100 /ha zu halten, sollten nur Schläge quer bewirtschaftet werden, die mindestens 70 bis 100 m breit sind; bei einem rechteckigen Schlag mit Seitenlängen von 200 m und 100 m[nbi3] liegen die Kosten beispielsweise nur noch bei ca. 35 /ha. Ggf. sollten zunächst mehrere Schläge zusammengefasst werden (Krimly et al. 2007). Wasserabfluss in % der Beregnungsmenge Abbildung 4: ohne Querdämme ohne Querdämme, mit Bodenlockerung 0,7 mit Querdämmen Bei Beregnungsversuchen mit l/m 2 haben Querdämme im Kartoffelanbau den Wasserabfluss nahezu vollständig unterbunden. Beispiel Querdammhäufler beim Kartoffelanbau Die Querdammhäufelung ist eine Maßnahme im Kartoffelanbau mit einem für diesen Zweck speziell entwickelten Querdammhäufler. Damit werden zwischen den Kartoffeldämmen in gleichmäßigem Abstand Querdämme angelegt. Durch die Anhäufelung von Querdämmen entstehen zahlreiche kleine Mulden, die den Wasserabfluss in den Rinnen zwischen den Kartoffeldämmen verhindern und zudem das Niederschlagswasser zwischenspeichern und langsam in den Boden einsickern lassen (siehe Abb. 3). Dies fördert in niederschlagsarmen Sommern das Kartoffelwachstum. Bei Beregnungsversuchen (Lambert et al. 32

6 Landinfo 1/2010 Pflanzliche Erzeugung Tabelle 4: Qualitative Bewertung der Wirkung von ausgewählten Schutzmaßnahmen vor Bodenerosion und Wasserabfluss. Maßnahme Ackerrandstreifen / Grünstreifen Mulchsaat Temporäre Untersaat Querdammhäufelung Bodenlockerung und Bodenschonung Querbewirtschaftung Schlagteilung Zwischenfrüchte als Gründüngung Organische Substanz und Kalkung Kooperierende Anbauplanung, Virtuelle Flurbereinigung Wirkung Bodenrückhalt Wirkung Wasserrückhalt gering mittel hoch gering mittel hoch 2002, pers. Mitt.) mit einem simulierten Niederschlag von l/m 2 pro Stunde floss bei der Querdammhäufelung verbunden mit einem Anbau quer zur Hangrichtung nahezu kein Beregnungswasser ab. Der Abfluss ohne diese Maßnahme lag hingegen zwischen 14 % und 52 % des Beregnungswassers (siehe Abb. 4). Die variablen Kosten dieser Maßnahme liegen zwischen 13 /ha und 16 /ha (Mittelwert 14 /ha). Zusätzlich ist mit jährlichen Mehrkosten durch Investitionsaufwand für den Querdammhäufler als Prototyp von ca. 190 /ha zu rechnen. Eine Serienproduktion dieses Gerätes bzw. eine höhere Auslastung könnten die Kosten jedoch in Zukunft noch deutlich senken. (Krimly et al. 2007). Maßnahmenbewertung Tabelle 4 zeigt eine Übersicht zur qualitativen Bewertung von ausgewählten Schutzmaßnahmen vor Bodenerosion und Wasserabfluss. Demnach ist nicht jede wirkungsvolle Erosionsschutzmaßnahme auch geeignet, wirkungsvoll den Oberflächenabfluss zu reduzieren. Deshalb sollten gemeinsam von Flächenbewirtschaftern und Fachberatern standortgerechte Maßnahmenkombination aufgestellt werden. Orientierende Hilfestellung zu Bewertung, Planung und Umsetzung geben z.b. LAP et al. (2005) und Krimly et al. (2007). Literatur Billen, N., Lambert, B. (2005): Agricultural measures for water management and their integration into spatial planning (AMEWAM) Batch 2: Participatory Implementation of agricultural measures for water retention on farms and evaluation of dateas for erosion modelling and for controlling of measures efficiency. Final report to batch 2 of the Interreg IIIB NWE R+D Contract. Botschek, J., Unterseher, E.; Haider, J., Fiener, P., Aurbacher, J., Billen, N. et al. (2010): Berücksichtigung der Bodenerosion bei der Maßnahmenplanung nach EG- Wasserrahmenrichtlinie. - Hrsg.: DWA & BVB e.v., Hennef, im Druck. DIN (2005): Bodenbeschaffenheit - Ermittlung der Erosionsgefährdung von Böden durch Wasser mit Hilfe der ABAG, Beuth Verlag Berlin/Wien/Zürich Gündra, H, Jaeger, S., Schroeder, M. (1995): Bodenerosionsatlas Baden-Württemberg. - Agrarforschung in Baden-Württemberg ; 24, Ulmer Verlag Stuttgart, 76 S. Krimly, T., Dabbert, S. (Hrsg.), Billen, N., Aurbacher, J. (Autoren) (2007): Landwirtschaftlicher Hochwasserschutz - 10 Steckbriefe für 12 Maßnahmen. Verlag St. Dabbert, Universität Hohenheim, Institut für Landwirtschaftliche Betriebslehre (410a), Stuttgart, 21 S., Kunz, M., Kottmeier, C. (2005): Studie zur Häufigkeit und Intensität meteorologischer Ereignisse mit großem Schadenpotential in Baden-Württemberg. Abschlussbericht im Verbundprojekt KLARA, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Universität Karlsruhe (TH) / Forschungszentrum Karlsruhe, 59 S., M. Kunz, Prof. Dr. Ch. Kottmeier LFL (2008): Downloadbares Programm zur Ermittlung des Bodenabtrags: Programm für den PC - Update Januar 2008, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (Hrsg.), schutz/06558/index.php 33