Bodenwasser Grundlage und Möglichkeiten des Managements Bodenfruchtbarkeit Bodentag Steiermark und

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1 Bodenwasser Grundlage und Möglichkeiten des Managements Bodenfruchtbarkeit Bodentag Steiermark und Gernot Bodner Department für Nutzpflanzenwissenschaften Universität für Bodenkultur Wien 1 Dipl.-Ing Dr. Gernot Bodner Department für Nutpflanzenwissenschaften Abteilung Pflanzenbau Universitäts- und Forschungszentrum Tulln (UFT) Universität für Bodenkultur Wien

2 Inhalt Inhalt Einleitung: Ressourceneffizienter standortangepasster Pflanzenbau Bodenwasserhaushalt Wasserbilanz Standorthydrologie Wurzel als Element des Bodenwassermanagements Wurzel und Bodenstruktur Wurzel als Porenbildner Wurzel und Bodenverdichtung Managementoptionen für eine effiziente Wassernutzung Bodenbearbeitung Zwischenfruchtbau 2/38

3 Einleitung: Ressourceneffizienter standortangepasster Pflanzenbau 3/38

4 BodentagHagelversicherung Einleitung Ertrag Hohe Aufnahme- und Umsetzungseffizienz Geringe Umsetzungseffizienz Geringe Aufnahmeeffizienz Definitionen VERLUST Ressourcen-Aufnahme VERLUST (z.b. Wasser, N, P,.) Nach French und Schultz (1984) Aust. J. Agric. Res. 35 Pflanzliches Potential: Maximale Ertragsbildung pro Einheit aufgenommener Ressource (derzeitiges physiologisches Limit). Aufnahmeeffizienz: Fähigkeit dem Boden pflanzenverfügbaren Ressourcen zu entziehen. Umsetzungseffizienz: Fähigkeit aus den aufgenommenen Ressourcen Ertrag zu bilden. 4/38

5 BodentagHagelversicherung ATMOSPHÄRE Stress Bedeutung Einleitung Hitze 12 % der globalen Ackerfläche 1 (Kontinentale Gebiete Asiens und Nordamerikas) Kälte/Frost 13 % der globalen Ackerfläche 2 Sonstige (Ozon, ) Keine flächenbezogenen Daten Wassermangel 27 % der globalen Ackerfläche 2 P-Mangel 30 % der globalen Agrarfläche 3 N-Mangel Humusarme Böden Versauerung (ph < 5,5) 25 % der globalen Ackerfläche 4 BODEN Verdichtung Versalzung (EC > 4 ds m -1 ) 25% (AT, Alpenvorland 6 )-30 % (DT, Meklenburg- Vorpommern 7 ) der Ackerfläche 7 % der Landfläche, 50 % der bewässerten Fläche 5 Realer / potentieller Ertrag = 40 % 1 Quellen: Teixeira et al. (2013) Agric. Forest Meteorol. 170 und eigene Berechnung; 2 FAO/IIASA (2000); 3 MacDonald et al. (2011) PNAS 108; 5 Lynch et al. (2004) Field Crops Res. 90; 6 Murer et al. (2012) Die Bodenkultur; 7 Frielinghaus et al. (s.a.) Beiträge Bodenschutz 5/38

6 BodentagHagelversicherung Einleitung Körnermais Bezirk Mistelbach (NS 508 mm, Temp. 9,1 C; Ackerbauarbeitskreis LK NÖ) Jahresmaxima liegen im Mittel bei 84 % des Ertragspotentials. Jahresmittel liegen im Mittel bei 73 % des Jahresmaximums. Einzelerträge schwanken 26 % um das jährliche Ertragsmittel. Im Mittel liegen die österreichischen Ackerbaugebiete bei etwa % des Ertragspotentials (Schätzung mittels FAO GAEZ). 6/38

7 BodentagHagelversicherung Einleitung Zukunftsprognose pannonischer Raum Quelle: Eitzinger, 2009 Zunahme der Sommertrockenheiten /38

8 Bodenwasserhaushalt 8/38

9 Wasserbilanz Ansatzpunkte zum Management Wasserhaushalt Managementziel ist die Reduktion der Verlusteund die Optimierung der Wasserhaufnahme, Speicherungund produktiven Nutzung (Transpiration)

10 Standorthydrologie Speicherabhängigkeit (a) Starke Fruchtfolge-Wirkung (z.b. Zwischenfrucht). Wurzeltiefe besonders effizient (Versickerung). Synchronisierung vegetativer und generativer Wasserverbrauch. Leichter zu planen. Wasserhaushalt Inputabhängigkeit (b) Vorfruchtwirkung gering. Bodenabdeckung sehr effizient (Evaporation). Bodenspeicherfähigkeit verbessern. Höhere Unsicherheit /38

11 Wasserhaushalt Standorteigenschaften: Niederschlag In Gebieten mit unter 650 mm Jahresniederschlag ist das Wasser eine zentraler Ertragslimitierender Faktor /44

12 Wasserhaushalt Standorteigenschaften: Boden Pseudeogley Lockersediment-Braunerde Brauner Auboden Gley Grauer Auboden Wasserverhältnisse Böden der Mur-Terrasse

13 Wasserhaushalt Trockenregime Pannonikum (Modellsimulation) Niederschlag 1.Mar-15Jul : 237 mm Langjähriges Mittel ( ) Bodentiefe (cm) März: 112 mm pflanzenverfügbares Wasser 0.10 cm 3 cm cm -3 cm -3 PWP 0.20 cm -3 cm cm -3 cm cm -3 cm -3 FK 0.35 cm -3 cm cm -3 cm Tag im Jahr Im langjährigen Mittel ist ein gut speicherfähiger Boden im Frühjahr nicht vollständig auf Feldkapazität aufgefüllt. Das Verhältnisaus pflanzenverfügbarer Wassermengezu Vegetation Beginn und Niederschlagwährend der Vegetationszeit von Sommergetreide beträgt etwa 1:2. 13/38 13/39

14 Wasserhaushalt Effiziente Ressourcennutzung = Boden + Pflanze Pflanzenverfügbare Wassermenge (PAW) PAW = nfk * Wurzeltiefe Auf gut speicherfähigem Boden + 10 cm Wurzeltiefe = + 25 mm Wasser Effektivität hoher Wurzeltiefe ( exploratives System ) abhängig von Standorthydrologie: Mittlere Infiltrationstiefe Speicherfähigkeit des Bodens Niederschlagsverteilung (Grundwassertiefe) 14/38

15 Wasserhaushalt Umwelt-Stress Wasser, Nährstoff, Temperatur, Pflanzen-Reaktion Physiologisch, morphologisch, Stressvermeidung Stresstoleranz Entkommen Sparen Maximieren Beschreibung: Beschreibung: Beschreibung: Beschreibung: Entwicklung vor Stressperiode abgeschlossen (z.b. Frühreife) Balancierte Aufnahme der limitierenden Ressource (z.b. Blattflächen-Reduktion) Aufnahmefähigkeit der limitierende Ressource wird optimiert (z.b. Wurzeltiefe) Pflanzliche Stoffwechselfunktionen bleiben trotz Mangelernährung intakt Stressart: Stressart: Stressart: Stressart: Periodischer Stress (z.b. Trockenzeit) Längere/permanente Stresssituation (z.b. P- Mangelboden) Kurzfristige, unerwartete Stresssituationen (z.b. ausbleibender Niederschlag) Intensive Stresssituation (z.b. Trockenzeit, Trockengebiet) Nach Levitt(1980) 15/38

16 Wurzel als Element des Bodenwassermanagements 16/38

17 Wurzel Funktionen der Wurzel im Nutzpflanzensystem 1. Ressourceneffizienz 2. Ertragsorgan Boden Pflanze Krümelbildung Direktsaat Zuckerrübe, Betrieb Zaussinger, Wullersdorf 3. Bodenstruktur 4. Humushaushalt Schmidt et al. (2011) Nature 17/38

18 Wurzel Bodenfunktionen der Wurzel Humus Bedeutung von Wurzelhumus Bodenstruktur 1. Stabile organische Substanz Chemisch: Lignin und Suberin Physikalisch: In Aggregaten Örtlich: Im Unterboden 2. Labile organische Substanz Bis zu 20 % der Assimilate über Wurzelausscheidungen in den Boden Krümelbildung Jastrow und Miller (1988) Bildung und Stabilität Bodenerosion Nährstoffumsetzung Treibhausgase Degradation Bodenverdichtung = Trockenstress + Luftmangel Schmidt et al. (2011) Nature 18/38

19 Wurzel Bodenfunktionen der Wurzel Die Rolle der Wurzel in der Aggregat-Hierarchie Aggregat-Hierarchie-Modell nach Tisdall und Oades(1982) Aggregate der Schlufffraktion< 20 μm Mikroaggregate μm Makroaggregate > 250 μm Grenzflächenkräfte Biochemische Kräfte (Exudate) Pilzhyphen und (Fein)Wurzeln Feinwurzel Quelle: Jastrow und Miller (1988) Quelle: Sarkhotet al., /38

20 Wurzel Bodenfunktionen der Wurzel Die Rolle der Wurzel in der Poren-Hierarchie Poren-Hierarchie-Modell Nach Elliot und Coleman (1988) Intra-Mikroaggregatporen Inter-Mikroaggregatporen Inter-Makroaggregatporen Makroporen Restwasser (Textur) Wasserspeicherung, Mikrofauna Drainage, Durchlüftung, Wurzeln, Makrofauna Makroporen unterliegen hoher raum-zeitlicher Variabilität. Sie müssen aktiv gebildet werden! 20/38

21 Wurzel Wurzelmorphologie und Porenraum Unbepflanzt Grobe Wurzeln Saatplatterbse Porenvolumen in Vol. % Feine Wurzeln Phacelia Mikroporen 1 (r<2,5 µm) 2,3 1,9 5,5 Mikroporen 2 (2,5 r <15 µm) 7,4 6,1 8,6 Mesoporen (15 r <37,5 µm) 6,1 5,5 5,5 Makroporen 1 (37,5 r <500 µm) 14,9 17,8 13,1 Makroporen 2 (r>500 µm) 3,8 9,1 5,2 Saatplatterbse Phacelia Foto und Zeichnung: Kutschera et al. (2009) Wurzelatlas 21/38

22 Wurzel Bodenverdichtung und Wurzelwachstum 22/38

23 Managementoptionen für eine effiziente Wassernutzung 23/38

24 Wassermanagement Management von Trockenheit Pflanze Boden Bestandesetablierung Beeinflussbar: Mittel (enger Optimumbereich) Funktion: Synchronisation Angebot-Bedarf, Konkurrenz im Bestand Management: Saatzeitpunkt, Bestandesdichte Art/Sorte Beeinflussbar: Mittel (Wirtschaftlichkeit, Züchtungsfortschritt) Funktion: Vegetationszeit, Trockenresistenz Management: Fruchtfolge, Sortenwahl Bodenoberfläche Beeinflussbar: Stark (kurzer Zeitraum) Funktion: Evaporation, Oberflächenabfluss Management: Stoppelbearbeitung, Sätechnik, Fruchtfolge Oberboden Beeinflussbar: Mittle (längerer Zeitraum) Funktion: Wasserinfiltration und -speicherung Management: Grundbodenbearbeitung, Humus (Fruchtfolge) Unterboden Beeinflussbar: Gering (natürliche Bodeneigenschaften) Funktion: Wasserspeicherung Management: (Unter)Bodenverdichtung, Kulturart (Wurzeltiefe) 24/38

25 Wassermanagement Bodenbearbeitung beeinflusst den Bodenwassergehalts /38

26 Wassermanagement Gründe für Änderung des Wassergehalts Bessere Wasserspeicherfähigkeit Bessere Infiltration Verringerung der Bodenverdunstung Speicherfähigkeit Infiltration Evaporation 26/38

27 Wassermanagement 1. Wasserspeicherfähigkeit Pflug Direktsaat Grubber nfk (mm m -1 ) 207,7 234,7 211,1

28 Wassermanagement 2. Infiltration Höhere Aggregatstabilität und mehr Bodenleben Höherer Anteil an Bio- Makroporen Aggregatstabilität (%) a a b b Mikrobielle Respiration (mg CO2 g-1 h -1 ) 0 a b c bc Pflug Grubber Scheibenegge Direktsaat 28/38

29 Wassermanagement 3. Bodenevaporation (Simulationsergebnis) Die Modellrechnung ergibt für die reduzierte Bearbeitungeineum 28 % (9 %) geringere Bodenverdunstung im Vergleich zum Pflug(Mais-Mulchdecke). Bei sonst gleichen Bedingungen entspräche das einen(modellierten) Mehrertragvon 7 % (2 %). 29/38

30 Wassermanagement Zwischenfrucht Begrünungsmischungen bringen sicheren Bestand Standort: Hollabrunn Wurzelmischung (Ölrettich, Phacelia, Lein, Mungo) Standort: Hollabrunn Leguminosen- Mischung (Buchweizen, Alexandrinerklee, Saatplatterbse, Ackerbohne, Sommerwicke) 30/39 30/38

31 Wassermanagement Hauptfrucht nach Zwischenfrucht(Vegetationsjahr 2012) 31/39 31/38

32 Wassermanagement Zwischenfrucht als Wasserkonkurrent? Tatsächlicher Wasserverbrauch (Gemessene aktuelle Evapotranspiration) Zwischenfrucht: mm Brache: mm Σ Verdunstungspotential Hauptfrucht : 573 mm Σ Verdunstungspotential Zwischenfrucht : 290 mm (davon 45 % im August) Raps Senf 32/39 32/38

33 Wassermanagement Zwischenfrucht als Wasserkonkurrent? Reduktion der Evaporationsverluste als wesentliches Wassersparpotential im Begrünungsbestand Rasche Bodenabdeckung (Senf, Buchweizen) Bodenzustand nach Hauptfrucht (Stoppelbearbeitung, Strohmulch) Maßnahmen in der späteren Vegetationszeit im ausgewachsenen Begrünungsbestand haben vom hydrologischen Standpunkt nur wenig Wirkung. 33/39 33/38

34 Wassermanagement Zwischenfrucht als Wasserkonkurrent? Wieviel Winterniederschlag ist nötig, um das Profil aufzufüllen? Situation Trockengebiet Raasdorf Maximale Wasserhaltefähigkeit (Feldkapazität) 250 mm m -1 Leichter Boden Entleerung im Herbst (30 % nfk) 160 mm m mm m mm Niederschlagsbedarf Mittlerer Boden Maximale Wasserhaltefähigkeit (Feldkapazität) Entleerung im Herbst (30 % nfk) Niederschlagsbedarf 350 mm m mm m mm 34/39 34/38

35 Wassermanagement Zwischenfrucht als Wasserkonkurrent? Ertragsbildung im Input-driven Ökosystem Limtierung der Ertragshöhe im Trockengebiet durch Niederschlag während der Vegetationszeit, nicht durch Wasserverbrauch im Herbst. Frühjahrstrockenheit: Wurzeltiefe des Sommergetreide nicht tief genug, um mögliche zwischenfruchtbedingte Wassergehaltsunterschiede im Unterboden zu spüren. Im Oberboden Angleichung der Feuchte durch Winterregen. Frühsommertrockenheit: Zwischenfruchteffekt (nach trockenem Herbst) möglich, da Wurzelsystem der Hauptfrüchte Zugang zur Unterbodenfeuchte hat (Mais, Zuckerrübe, Sonnenblume). Günstige Niederschlagsverteilung im österreichischen Trockengebiet reduziert jedoch das Risiko. 35/39 35/38

36 Schlussfolgerungen Schlussfolgerungen Wasserhaushalt Die Optimierung des Wasserhaushaltes muss Boden und Pflanze berücksichtigen. Standortverbesserung (Speicherfähigkeit) ist nur langfristig möglich. Humushaushalt und Bodenstruktur sind dabei der Schlüssel. Die Optimierung der Nutzung der verfügbaren Ressourcen ist eng mit der Pflanzenwurzel verbunden (z.b. Unterbodenfeuchte). Unterbodenfeuchte ist vor allem für Kulturen mit langer Vegetationszeit bedeutend, insbesondere in Jahren (und Regionen) mit Sommertrockenheit. Das Management der Bodenoberfläche (Mulch) ist für eine kurzfristige Beeinflussung des Bodenwasserhaushaltes (Evaporation, Erosion) besonders wichtig. 36/39 36/38

37 Schlussfolgerungen Allgemeine Schlussbemerkung Boden und Pflanze sind komplexe Organismen. Sie haben viele Möglichkeiten auf kurz-und mittelfristige Ungleichgewichte zu reagieren. Einzelne Maßnahmensind daher nur bei ausgeprägtem Mangel eines Wachstums-faktorsrasch und unmittelbar ertragswirksam. Ertragssteigerungen auf einem hohem Ertragsniveau sind schwierig. Dennoch ist Bodenfruchtbarkeitsmanagement wesentlich, um die Ertragsfähigkeit zu sichernund unvorhersehbare Stresssituationen(Witterung) so gut als möglich abzupuffern. 37/38

38 Universität für Bodenkultur Wien Department für Nutzpflanzenwissenschaften Abteilung Pflanzenbau Gernot Bodner Konrad Lorenz Straße 24, A-3430 Tulln an der Donau Tel.: , Fax: gernot.bodner@boku.ac.at, /19

39 Trockenheit Wasserbedarf landwirtschaftlicher Kulturpflanzen Art Wasserbedarf (mm) Transpirationskoeffizient (mm/kg) Getreide Schossen, Blüte Kritische Entwicklungsstadien Mais (C4) Ende Schossen-Blüte Zuckerrübe Reihenschluss-Blüte Kartoffel Blüten(Knollen)bildungsphase Raps Schossen - Blüte Sonnenblume Vor Blüte - frühe Reife Körnererbse Blüte-frühe Reife Sojabohne Mitte Hülsen - Samenbildung Grünland Quellen: FAO Land and Water Division, Ehlers. 1996, Geisler, 1988) 39/39

40 Trockenheit Wasser (und Stickstoff) Ertrag = WA x WNE x HI Ertrag = NAx NNE x HI WN Wasseraufnahme WNE Wassernutzungseffizienz HI Harvest Index NA Stickstoffaufnahme NNE Stickstoffnutzungseffizienz Effiziente Wasser und N-Aufnahme (WA, NA) Einflussfaktor auf die Wurzel Veränderung an der Wurzel Wasser Wurzel-Sproß Verhältnis, Tiefenwachstum Hauptachsen (Hydrotropismus), Seitenwurzelbildung Stickstoff Wurzel-Sproß Verhältnis, Tiefenwachstum Hauptachsen, Seitenwurzelbildung, Feinwurzelanteil 40/39

41 Trockenheit Durchwurzelungstiefe ausgewählter Kulturpflanzen Flachwurzler Hauptdurchwurzelungszone bis ca. 25 cm Tiefwurzler Wurzelbereich über Pflugtiefe in Unterboden (Luzerne, Rotklee) Durchwurzelung abhängig von Standort und Witterung ( effektiver Wurzelraum = tatsächlicher Wasserentzug als Richtgröße) 41/39

42 Trockenheit Wasserbedarf landwirtschaftlicher Kulturpflanzen Kurze Vegetationszeit Getreide, Raps, Körnerleguminosen Stressanfälligkeit Sommerungen > Winterungen Leguminosen > Raps > Getreide Kritische Stadien Getreide 1. Bestockung/Schossen (Ährentragende Halme, Kornzahl Ähre) 2. Kornfüllung (Kornausbildung) Frühjahrstrockenheit! Lange Vegetationszeit Gerste Mais Mais, Zuckerrübe, Sonnenblume, Kartoffel Stressanfälligkeit Kartoffel > Mais > Zuckerrübe > Sonnenblume Kritische Stadien Mais 1. Fahnenschieben/Blüte (Befruchtung, Samenansatz) 2. Kornfüllung (Kornausbildung) Frühsommertrockenheit! /22

43 Boden Wurzel und Nährstoffmobilisierung Pflanze P-Einbau Nachlieferung Alterung Einflussfaktoren:pH (optimal 6,0-6,5) Ca ++, Humusghalt, Bodenleben, Luft- und Wasserhaushaltv P-Transport [P] kg/ha STABIL Gesteins- Phosphat Ca: Apatit Fe: Strengit Al: Variscit kg/ha LANGSAM Sorbiertes u. anorgan. Phosphat Oxide, Tonminerale, Ca, 0,5-0,8 mg/l VERFÜGBAR Phosphor in Bodenlösung Phosphor- Aufnahme Wurzelsystem Ausscheidungen Transporter Mykorrhiza Verwitterung Lösung/Desorption kg/ha Organisches Phosphat Humus, Mikroorganismen Mineralisierung Aktive Mobilisierung Nach Unterfrauner (2013), K+S KALI GmbH und Wang (2010) 43/39

44 BodentagHagelversicherung Nährstoffmobilisierung Phosphor-Mobilisierung durch Pflanzen Wurzel und Buchweizen Phacelia Lupine Starke Ansäuerung der Rhizosphäre. Lösung von Kalziumphosphaten. Hoher Feinwurzelanteil und Mykorrhiza. Geringer Diffusionsweg des Phosphors. Wurzelcluster mit hoher Exudation. Desorption von (Fe-) Phosphaten Hohe Phosphormobilisierung dieser Kulturen bedeutet nicht immer eine höhere Verfügbarkeitfür die Folgefrucht. Summe von Wirkungen der Gründüngung kann jedoch P-Versorgung verbessern. 44/39

45 Phosphorstress Situation Österreich Ackerland: ausreichend versorgt, Erhaltungsdüngung Grünland: % niedrig (jedoch Interpretation schwierig) 45/39