Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Ackerböden durch Bewirtschaftungsmassnahmen
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- Ursula Egger
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1 Eidgenössisches Departement für Wirtschaft, Bildung und Forschung WBF Agroscope Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Ackerböden durch Bewirtschaftungsmassnahmen Peter Weisskopf, Urs Zihlmann, Hans-Rudolf Oberholzer, Thomas Anken, Martin Holpp Fachtagung "Wasser in der Landwirtschaft" Agroscope Zürich-Reckenholz, 23. Januar 2014
2 Übersicht 1. Grundlagen zum Wasserhaushalt von Böden 2. Möglichkeiten zum Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch landwirtschaftliche Bewirtschaftung 3. Anwendungsbeispiele zum Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Ackerböden 4. Schlussfolgerungen 2
3 1 Grundlagen Wasser in Böden Böden als Dreiphasensysteme mit fester mineralisch-organischer Matrix und Hohlräumen Wassersättigung Feldkapazität perm. Welkepunkt wassergesättigter Boden Festsubstanz Wasser Feldkapazität Luft blog.hj-koehler.de perm. Welkepunkt Luft lufttrockener Boden Luft Beeinflussen des Bodenwasserhaushaltes durch Bewirtschaftungsmassnahmen Festsubstanz "Wasser in der Landwirtschaft" Porenvolumen
4 1 Grundlagen Wasser in Böden Hohlräume ("Bodenporen"), entweder wasser- oder luftgefüllt Bedeutung der Bodenstruktur für den Wasserhaushalt Koppelung von Wasser- und Lufthaushalt in Bodenhohlräumen fest flüssig gasförmig 4
5 1 Grundlagen Wasser und Porensystem von Böden Gesamtgrösse des Porensystems: gesamtes Porenvolumen pro Bodenvolumen bzw. pro Bodenfläche Poren unterschiedlich lange bzw. miteinander verbunden Leitfähigkeit für Wasser und Luft locker verdichtet 5
6 1 Grundlagen Wasser und Porensystem von Böden Unterschiedliche Porendurchmesser: Grob-, Mittel- und Feinporen (Porengrössenverteilung) unterschiedliche Bindungsstärke des Porenwassers (Menisken Saugspannung) = unterschiedliches Verhalten (unter Schwerkraft drainierend/nicht drainierend) unterschiedliche Funktionen: 1) Grobporen: Wasserversickerung und Gasaustausch 2) Mittelporen: Speicherung von pflanzenverfügbarem Wasser 3) Feinporen: Speicherung von nicht pflanzenverfügbarem Wasser 6
7 1 Grundlagen Wasser und Porensystem von Böden Unterschiedliche Porendurchmesser unterschiedliche Funktionen Wasserpotential [hpa] pf nicht pflanzenverfügbares Wasser schwer pflanzenverfügbares Wasser Feinporen feine Mittelporen leicht pflanzenverfügbares Wasser permanenter Welkepunkt grobe Mittelporen Feldkapazität Grobporen Sickerwasser gpv pvw TW SW nfk LK geo.bildungszentrum-markdorf.de Beeinflussen des Bodenwasserhaushaltes Wassergehalt durch Bewirtschaftungsmassnahmen "Wasser in der Landwirtschaft" P. Weisskopf, U. Zihlmann, H.R. Oberholzer, [Vol.%] T. Anken, M. Holpp gpv = gesamtes Porenvolumen SW = Sickerwasser pvw = pflanzenverfügbares Wasser TW = Totwasser, nicht pflanzenverfügbar 7 LK = Luftkapazität nfk = nutzbare Feldkapazität
8 1 Grundlagen Porensystem und Bodenstruktur Mittel-/Feinporensystem: Hängt v.a. von der Bodenzusammensetzung (Bodenart) ab Grob-/Mittelporensystem: Hängt v.a. von der Strukturbildung (Bodenentwicklung/-bewirtschaftung) ab Parabraunerde sandiger Lehm Braunerde lehmiger Schluff Pseudogley toniger Schluff Regosol toniger Lehm Moor organisch Sickerwasser pflanzenverfügbares Wasser nicht pflanzenverfügbares Wasser 8 Festsubstanz
9 1 Grundlagen Wasserbilanz von Böden Wasserzufuhr Niederschläge, Fremdwasser, Bewässerung Wasserspeicherung speicherfähiges Porenvolumen (Gründigkeit, Bodenstruktur) Bodenaufbau (undurchlässige Schichten) Wasserverlust Evaporation, Transpiration, Oberflächenabfluss/Versickerung, Drainage Niederschläge Evapotranspiration Oberflächenwasser Gewässer Sickerwasser Porenwasser Grundwasser Fremdwasser 9
10 1 Grundlagen Wasserspeichervermögen von Böden nfk l = leicht nutzbare Feldkapazität = leicht pflanzenverfügbares Wasser nfk s = schwer nutzbare Feldkapazität = schwer pflanzenverfügbares Wasser täglicher Wasserverbrauch ETP 10
11 1 Grundlagen Bestimmungsgrössen Wasserhaushalt Bestimmungsgrösse Porenvolumen (pro Vol.) Porenvolumen (pro m2) Porengrössenverteilung Porenkontinuität Strukturstabilität Niederschläge Fremdwasser Oberflächenabfluss Sickerwasser Evapotranspiration Bodentyp, Bodenart X X X X Gründigkeit X Topografie X X Witterung / Klima X X Kultur- / Sortenwahl Fruchtfolgegestaltung Bodenbearbeitung langsam, profilumfassend auch Mittel-/Feinporen! X X X X X rasch, oberflächlich v.a. Grobporen! X X X X Befahrungen X X X X Anbautechnik X X X X X Düngung / Pflanzenschutz X X X X X 11
12 2 Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch Bewirtschaftung Wasserhaushalt: Standorteinfluss Wirkungskomponenten Bodentyp: Porenkontinuität, Fremdwasser Bodenart: Porenvolumen pro Bodenvolumen, Porengrössenverteilung Gründigkeit: Porenvolumen pro Bodenfläche Topografie: Fremdwasser, Oberflächenabfluss Witterungsverlauf, Klima: Niederschläge, Evapotranspiration Gründigkeit = nutzbarer Wurzelraum Körnung und organische Substanz ("Bodenart") Vernässungen, Bodenstrukturzustand Steingehalt 12
13 2 Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch Bewirtschaftung Wasserhaushalt: Standorteinfluss Gleyige Braunerde, Lehm; Kartoffeln, Pflug 0 cm 15 cm 30 cm 45 cm 60 cm [ 75 cm ] 90 cm 1. Mai 8. Mai 15. Mai 22. Mai 29. Mai 5. Juni 12. Juni 19. Juni 26. Juni 3. Juli 10. Juli 17. Juli 24. Juli 31. Juli Kalkbraunerde, Lehm; Kartoffeln, Pflug 0 cm 15 cm 30 cm 45 cm 60 cm [ 75 cm ] 90 cm 1. Mai 8. Mai 15. Mai 22. Mai 29. Mai 5. Juni 12. Juni 19. Juni 26. Juni 3. Juli 10. Juli 17. Juli 24. Juli 31. Juli -850 Saugspannung [hpa]
14 2 Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch Bewirtschaftung Wasserhaushalt: Befahrungseinfluss Wirkungskomponenten Bodenverdichtung: Porenvolumen, Porengrössenverteilung (Grobporen ), Porenkontinuität ; Strukturstabilität, "physiologische Gründigkeit" ; (oft: Transpiration ) Bild "Befahrung" (Pflugrad in Furche?) 14
15 2 Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch Bewirtschaftung Wasserhaushalt: Befahrungseinfluss unverdichtet, gepflügt NS 0 50 mm B Tiefe cm einmal verdichtet, gepflügt NS 0 50 mm B Tiefe cm 2004: Mais 2005: Winterweizen 2006: Wintergerste P. Weisskopf, U. Zihlmann, H.R. Bearbeiten Oberholzer, T. Anken, / Lockern M. Holpp Befahren / Verdichten Luftgefülltes Porenvolumen [Vol %]
16 2 Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch Bewirtschaftung Wasserhaushalt: Einfluss Anbautechnik Wirkungskomponenten Bodenbearbeitung: Porenvolumen, Porengrössenverteilung (Anteil Grob- und Mittelporen), Porenkontinuität, Bodenstabilität, "physiologische Gründigkeit", (Evaporation ) Bodendurchwurzelung: Porenvolumen, Porengrössenverteilung (Grob- und Mittelporen), Porenkontinuität, Bodenstabilität, Evapotranspiration Bodenbedeckung: Evaporation 16 U. Zihlmann
17 2 Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch Bewirtschaftung Wasserhaushalt: Einfluss Anbautechnik Braunerde, sandiger Lehm; Mais, Pflug 0 cm 90 cm 11. Mai 18. Mai 25. Mai 1. Juni 8. Juni 15. Juni 22. Juni 29. Juni 6. Juli 13. Juli 20. Juli 27. Juli 3. August 10. August 17. August 24. August 31. August 15 cm 30 cm 45 cm 60 cm 75 cm Braunerde, sandiger Lehm; Mais, Direktsaat 0 cm 15 cm 30 cm 45 cm 60 cm 75 cm 90 cm 11. Mai 18. Mai 25. Mai 1. Juni 8. Juni 15. Juni 22. Juni 29. Juni 6. Juli 13. Juli 20. Juli 27. Juli 3. August 10. August 17. August 24. August 31. August Wassergehalt [Vol.%]
18 2 Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch Bewirtschaftung Wasserhaushalt: Düngungseinfluss Wirkungskomponenten Bodendurchwurzelung: Porenvolumen, Porengrössenverteilung, Porenkontinuität, Bodenstabilität, Evapotranspiration 70% N 130% N 100% N =Norm 0% N 18 E. Spiess
19 2 Beeinflussen des Wasserhaushaltes von Böden durch Bewirtschaftung Wasserhaushalt: Düngungseinfluss Braunerde, sandiger Lehm; Raps, gepflügt, erhöhte N-Normdüngung (130%) 90 cm 1. Mai 8. Mai 15. Mai 22. Mai 29. Mai 5. Juni 12. Juni 19. Juni 26. Juni 3. Juli 10. Juli 17. Juli 24. Juli 31. Juli 7. August 14. August 21. August 28. August 0 cm 10 cm 30 cm [45 cm] 60 cm [75 cm] Braunerde, sandiger Lehm; Raps, gepflügt, N-Normdüngung (100%) 0 cm 10 cm 30 cm [45 cm] 60 cm [75 cm] 90 cm 1. Mai 8. Mai 15. Mai 22. Mai 29. Mai 5. Juni 12. Juni 19. Juni 26. Juni 3. Juli 10. Juli 17. Juli 24. Juli 31. Juli 7. August 14. August 21. August 28. August Braunerde, sandiger Lehm; Raps, gepflügt, reduzierte N-Düngung (70%) 0 cm 10 cm 30 cm [45 cm] 60 cm [75 cm] 90 cm 1. Mai 8. Mai 15. Mai 22. Mai 29. Mai 5. Juni 12. Juni 19. Juni 26. Juni 3. Juli 10. Juli 17. Juli 24. Juli 31. Juli 7. August 14. August 21. August 28. August Wassergehalt [Vol.%]
20 3 Anwendungsbeispiel Wasserhaushalt-Beeinflussung Verbesserungsziele Wasserhaushalt Pufferung von extremen meteorologischen Situationen unterschiedliche Jahreswitterungsverläufe Klimawandel mit vermehrten Starkniederschlägen und ausgeprägteren Trockenheitsperioden news.uns.purdue.edu 20
21 3 Anwendungsbeispiel Wasserhaushalt-Beeinflussung Verbesserungsziele Wasserhaushalt Standortgemässe nachhaltige Verbesserung ökologisch: Nutzen und Erhalten natürlicher Ressourcen ökonomisch: Ressourcen-, Zeit- und Kosteneinsparungen; hohe, qualitativ gute und stabile Erträge sozial: langfristig mögliche Wertschöpfung, Flexibilität 21 McPhee
22 3 Anwendungsbeispiel Wasserhaushalt-Beeinflussung Bewirtschaftungsziele Lösungsansatz: Verbessern des Bodenstrukturzustandes verbesserte Wasserinfiltration (Erosionsschutz, Wasser-/Gasaustausch) verbessertes Wasserspeichervermögen (Wasserversorgung Kulturen) stabilere Bodenstruktur (Erosionsschutz, Befahrbarkeitsverbesserung: Erhalten günstiger Struktureigenschaften) Lösungsideen: - verbesserte Wasserinfiltration = Vermeiden von Bodenverdichtungen, Verbessern des Bodenstrukturzustandes (stabile Grobporen), Schutz der Bodenoberfläche - verbessertes Wasserspeichervermögen = Verbessern des Bodenstrukturzustandes (Grob- und Mittelporenvolumen) - stabilere Bodenstruktur = Schutz der Bodenoberfläche, Verbessern der Aggregatstabilität 22
23 3 Anwendungsbeispiel Wasserhaushalt-Beeinflussung Bewirtschaftungslösung Geeignete Kombination von Bewirtschaftungsmassnahmen aufgrund vorhandener Empfehlungen Fruchtfolge: standortspezifische Optimierung (mit Humusbilanz- und Erosionsrisikobeurteilung) Bodenbearbeitung: Mulchsaat, Streifenfrässaat/Streifensaat, Direktsaat Befahrungen: bodenzustandsbezogene Auswahl und Ausrüstung der Fahrzeuge (Verdichtungsrisikobeurteilung), kontrollierte Flächenbeanspruchung Anpassung der Bewirtschaftung an aktuelle Feldsituation Bodenfeuchte-Monitoring: bodenzustandsbezogene technische und organisatorische Optimierung Beeinflussen von Befahrungen des Bodenwasserhaushaltes und durch Bodenbearbeitung Bewirtschaftungsmassnahmen (Verdichtungsrisikobeurteilung) "Wasser in der Landwirtschaft"
24 3 Anwendungsbeispiel Wasserhaushalt-Beeinflussung Lösungsbeitrag Fruchtfolge standortspezifische Optimierung Standortspezifisch: Wasserbedarf durch verfügbares Wasserangebot gedeckt Humusbilanz: ausgeglichene Bilanz "Abbau vs. Rücklieferung organischer Bodensubstanz" Erosionsrisiko: Beitrag zum notwendigen Erosionswiderstand ausreichend Beeinträchtigung der Bodenfruchtbarkeit: Abtrag von wertvollem Oberboden (Bodenneubildung: 0.01 mm/y) 24
25 Pflügen 3 Anwendungsbeispiel Wasserhaushalt-Beeinflussung Lösungsbeitrag Bodenbearbeitung Direktsaat Mulchsaat, Streifenfrässaat/Streifensaat, Direktsaat maximal 10 cm tief unterschiedlicher Grad der Bodenbewegung (100%, <50%, <25%) vgl. "Beitrag für schonende Bodenbearbeitung" in DZV 2014 mindestens 30 % Bodenbedeckung 25 Mulchsaat Streifenfrässaat
26 3 Anwendungsbeispiel Wasserhaushalt-Beeinflussung Lösungsbeitrag Befahrungen bodenzustandsbezogene technische und organisatorische Optimierung (mit Verdichtungsrisikobeurteilung) kontrollierte Flächenbeanspruchung: Controlled Traffic Farming (CTF) = nur ein Teil des Feldes wird grösseren Belastungen ausgesetzt = der Rest des Feldes wird nur leicht oder gar nicht belastet (i) Fahrzeuge > 0.6 bar Kontaktflächendruck auf permanenten Fahrspuren (ii) mindestens 30 % unbefahrene Feldfläche ("Infiltrationsstreifen") BB/Saat Pflege Transport Ernte 26
27 3 Anwendungsbeispiel Wasserhaushalt-Beeinflussung Lösungsbeitrag Befahrungen bodenzustandsbezogene technische und organisatorische Optimierung (mit Verdichtungsrisikobeurteilung) (iii) Bodenfeuchtemonitoring für situationsgerechte Befahrungsund Bearbeitungsentscheide 27
28 4 Schlussfolgerungen Bodenwasserhaushalt und Bewirtschaftung Bedeutung der Bodenstruktur und ihres Zustandes für den Wasserhaushalt! Wasserhaushalt ist nicht nur abhängig von landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsmassnahmen, sondern auch von Standorteigenschaften Einfluss von Bodentyp, Bodenart, Jahreswitterung und Mikroklima! Bewirtschaftungseinflüsse auf die Bodenstruktur bzw. den Bodenwasserhaushalt können je nach Feldsituation sehr unterschiedlich sein Intensive Wechselwirkungen, Bedeutung des Bodenzustandes! Abstimmen der Bewirtschaftungsmassnahmen (inkl. Maschinenwahl, Arbeitsorganisation) auf aktuelle Feldsituation ist oft entscheidend für Arbeitsqualität und Bewirtschaftungserfolg Nutzen von aktuellen Informationen und Erfahrungswissen Ausbildung: Situationsbeurteilung + systematischer Erfahrungsaufbau 28
29 Agroscope Gabi Brändle, Agroscope 29
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