ZWISCHENFRUCHT BAU. Managementoption für Bodengesundheit. Gernot Bodner. Boden.Wasser.Schutz Informationstag. Universität für Bodenkultur Wien

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1 ZWISCHENFRUCHT BAU Boden.Wasser.Schutz Informationstag Managementoption für Bodengesundheit Gernot Bodner Universität für Bodenkultur Wien Department für Nutzpflanzenwissenschaften Abteilung Pflanzenbau Arbeitsgruppe Pflanzliche Produktionsökologie 1 Dipl.-Ing Dr. Gernot Bodner Department für Nutpflanzenwissenschaften Abteilung Pflanzenbau Universitäts- und Forschungszentrum Tulln (UFT) Universität für Bodenkultur Wien

2 Bodengesundheit Bodengesundheit = Bodenfruchtbarkeit = Ertragseffizienz Management zum Erhalt, Verbesserung und Ausnutzung des natürlichen Bodenpotentials Physikalische Bodenfruchtbarkeit Boden als poröser Speicherraum für Wasserund Nährstoffe sowie Wachstumsraum der Pflanzen-wurzel (Wasser- und Lufthaushalt) Chemische Bodenfruchtbarkeit Boden als Speicher von Nährstoffen (Sorpotion) und Filter für Schadstoffe (Nährstoffhaushalt) Biologische Bodenfruchtbarkeit Boden als Lebenraum für Bodentiere und Bodenmikroorganismen (Umsetzungsvorgänge) 2/26

3 Natürliche Voraussetzungen Bodeneigenschaften = Natur + Management Natur = Klima + Geologie + Topographie + Zeit Bodenwirkung: ph, Textur, Profiltiefe (Prozesse: Nährstoffe, Luft- und Wasserhaushalt, Erwärmung ) Management = Fruchtfolge + Bodenbearbeitung + Düngung Bodenwirkung: Humus, Bodenleben, Struktur, Bodenabtrag (Prozesse: Nährstoffumsetzung, Luft- und Wasserhaushalt, Durchwurzelung) TROCKENGEBIET FEUCHTGEBIET

4 Management Die zwei großen Management-Chancen: Struktur und Organik Quelle: Dersch und Spiegel Wasserinfiltration, Bodenluft, Stabilität gegen Verschlämmung und Erosion, Wurzelausbreitung Krümelstabilität, Lagerungsdichte, Nährstoff (N)- Umsetzung, Wasserspeicherung 4/36

5 Ertrag Grenzen und Möglichkeiten der Veränderung Praxiserträge aus Daten des Ackerbau-Arbeitskreises Mistelbach 30 Natur (Jahreswitterung) Schwarzbrache Management (Begrünung) Haufiigkeit (%) RISIKO Begrünung Managementzi el CHANCE Ertrag (t ha -1 ) Ertrag (t ha -1 ) 5/36

6 Nährstoffmobilisierun g (Nitrat)-Düngerrecycling Humushaushalt sichern Biologischer Pflanzensch utz Unkrautunter -drückung Bodenstrukturverbesserung Klimaschutz Insekten (Bienenweide) Zwischenfrucht-Funktionen Wild (Deckung, Futter) Bodenleben fördern Bodenlockerung (Verdichtungen) Grundwasserschu tz Erosionsschutz 6/36

7 Wirksamer Bestand braucht Biomasse Gute Wirkung braucht gute Platzierung Gefahr: Luftmangel awurzelbarriere Voraussetzungen Bodenschutz und Nährstoffumsetzung förderndes Begrünungsmanagement VORAUSSETZUNG 1 VORAUSSETZUNG 2 > 30 % Deckungsgrad Maximaler Oberflächen-schutz (Mulchsaat) % Deckungsgrad Maximale Umsetzung (SEICHT einarbeiten) 0 % Deckungsgrad Maximale Probleme (Einpflügen) 7/36

8 Zwischenfrucht allgemein Zwischenfrucht = Spross + Wurzel 60 % Biomasse 40 % Biomasse 8/36

9 Zwischenfrucht allgemein Leben im Untergrund Organismus Menge Wurzeln kg ha -1 Bakterien 500 kg ha -1 Pilze und Strahlenpilze 1500 kg ha -1 Tierische Mikroorganismen 100 kg ha -1 Regenwürmer 400 kg ha Zellen pro cm Wurzel Zellen pro g Rhizosphärenboden Nach Watt et al. (2006) und Jedicke (1989) Das Bodenleben muss ernährt werden (bis zu 20 GVE ha -1 ). Dann bringt es seine Leistungen für die Bodenfruchtbarkeit und den Pflanzenertrag. 9/ /21

10 Zwischenfrucht und Nährstoff(re)cycling 10/36

11 Ernte Zwischenfrucht und Nährstoff(re)cycling (Stickstoff) Verlust-Minimierung - Unterbodenerschließung ERNTE Immobilisierung Herbstmineralisierung Verlagerung Unkontrollierbar Witterung (Niederschlag, Temperatur) Kontrollierbar Bodenbearbeitung, Fruchtfolge, Düngung Ohne Zwischenfrucht SEPT OKT NOV DEZ Mit Zwischenfrucht Nicht zeitgerecht aufgenommener NO 3 -N muss durch Tiefwurzler im System gehalten werden. Wichtigste Steuerung über Fruchtfolge inkl. Zwischenfrucht. Nach: KTBL (1994) Verlust-Größenordnung: 0 50 kg N ha -1 11/36

12 Zwischenfrucht und Nährstoff(re)cycling N-Aufnahme ausgewählter Zwischenfrüchte Zwischenfrucht-Art Oberirdische Biomasse (dt/ha) N-Gehalt in der Trockenmasse (%) N-Aufnahme (kg/ha) Senf Ölrettich Phacelia Buchweizen Winterwicke * Perserklee * *Neben N-Aufnahme aus dem Bodenvorrat, vor allem symbiontisch gebundener Luftstickstoff 12/36 12/36

13 Zwischenfrucht und Nährstoff(re)cycling Wachstum zu schlechten Zeiten Assimilation(% von Maximum) Gelbsenf vs. Sareptasenf Gelbsenf Sareptasenf x column vs y column x column 1 vs y column 1 Maximum Gelbsenf: mmol m -2 s -1 Maximum Sareptasenf: mmol m -2 s Temperatur ( C) 13/36

14 Zwischenfrucht und Nährstoff(re)cycling Verlust-Minimierung - Unterbodenerschließung cm Tiefe Quelle:Weaver, 1927 > 120 cm Tiefe Quelle: Kutschera et al., /36

15 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling Verlust-Minimierung - Unterbodenerschließung Quelle: Felgentreu und Engelke, /36

16 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling Mineralisierung und N-Freisetzung Kulturart CN Verhältnis Kresse 20:1 Gelbsenf 20:1 Phacelia 15:1 Ölrettich 12:1 Leguminosen 10:1 Abbau der Zwischenfrucht N-Freisetzung (Ertrag) Ausgasungspotential 16/36 16/36

17 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling Gasförmige N-Verluste 17/36

18 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling 18/36

19 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling Gasförmige N-Verluste 19/36 19/36

20 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling Gasförmige N-Verluste 20/36 20/36

21 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling

22 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling Wurzelmechanismen der P-Mobilisierung Baktierien Aufnahme - Desorption Eisenoxid P i Islam et al., 2007 Ca-Phosphat Mykorrhiza ph H + H + H + -Abgabe H + H + H + H + H + H + H + H + ph CO 2 Wurzelatmung CO 2 Organische Säuren ZitronenS. ApfelS. OxalalS. CarboxylS. EssigS. GlutaminS. h Oberfläche Mobilisierung h HCO 3 - HCO Desorption, Verwitterung 22/36

23 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling Phosphor-Mobilisierung durch Pflanzen Buchweizen Phacelia Lupine Starke Ansäuerung der Rhizosphäre. Lösung von Kalziumphosphaten. Hoher Feinwurzelan-teil und Mykorrhiza. Geringer Diffusionsweg des Phosphors. Wurzelcluster mit hoher Exudation. Desorption von (Fe-) Phosphaten Hohe Phosphormobilisierung dieser Kulturen bedeutet nicht immer eine höhere Verfügbarkeit für die Folgefrucht. Summe von Wirkungen der Gründüngung kann jedoch P-Versorgung verbessern. 23/36

24 Zwischenfrucht und Nährstoffrecycling Bakterielle Biodünger Bakteriengruppe Nährstoff Rhizobien Stickstoff ( kg N ha -1 ) Azotobacter Stickstoff (15-20 kg N ha -1 ) Quelle: Islam et al., 2007 K-lösende Mikroorganismen (KSM) Bacillus mucilaginosus, B. edaphicus, P-lösende Mikroorganismen (PSM) Bacillus sp., B. circulans, Azotobacter chrococcum, Wachstumsfördernde Mikroorganismen (PGPR) Azospirillum brasilense, Pseudomonas fluorescens Wirkungsweisen Kalium Phosphor Indirekt (s.u.) Quelle: Jeremy Burgess, Fixierung von N 2 Verbesserte Nährstofflösung durch Exudate Hormonelle Stimulation des Wurzelwachstums Verbesserte Symbiosen (Rhizobien, Mykorrhiza) 24/36

25 Zwischenfrucht und Bodenphysik Wurzeln als Biopflug? Hydraulische Eigenschaften werden von Wurzeln im strukturbeeinflussten Bereich des Bodens verändert. Wurzeleffekte auf hydraulische Bodeneigenscha Effekt Einwachsen in Poren Lokale Verdichtung Weinviertler Mikrobielle Maisbautag Aktivität Quelle Scanlan and Hienz (2008) Whalley et al. (2004) Bioporenbildung Wuest (2001) Kautz et al. (2014) Porenstabilisierung Bodner et al. 25/70(2008) Hydrophobizität Read et al. (2003) Mikrorisse (feuchttocken) Aggregierung (Vernetzung, POM, Exudate) Young (1998) Rasse et al. (2000), Feeney et al. (2004) 25/36 Czarnes et al.

26 Bodenstruktur Dichte > 1,6 g cm -3 Wurzelkraft > 20 bar Plattengefüge Bodenverdichtung durch (i) Natürliche Setzung des Bodens (z.b. nach mechanischen Lockerung, über Winter) (i) Überschreitung der Tragfähigkeit des Bodens (z.b. schwere Maschinen) Quelle: Murer et al., % der landwirtschaftlichen Nutzfläche Verdichtungsgefahr sehr hoch (i) Gefüge(zer)störung durch Bodenbearbeitungsgeräte (z.b. Pflug, Fräse) führt zu 1.) schlechter Durchwurzelung 2.) gestörter Umsetzung der organischen Substanz 3.) Trocken-, Luft- und mechanischem Stress 26/36 4.) Ertragsreduktion

27 Bodenstruktur Geringere Setzung Erhalt der Lockerung Sanierung von Oberbodengefügeschäden 27/36

28 Porenhäufigkeit (mm -1 ) Zwischenfrucht für Bodenphysik (a) Coarse Dicke root Wurzelachsen type Mikroporen Microporosity Makroporen Macroporosity Wurzeln schaffen Bodenporen Dicke Wurzeln (Lathyrus sativus) vs. Schwarzbrache Volumetric frequency ( m -1 ) (b) Fine root type (b) Feine Wurzelachsen Mikroporen Microporosity Unplanted Brache L. Platterbse sativus Makroporen Macroporosity Makroporen (r > 37.5 mm) Volumen + 44 % Feine Wurzeln (Phacelia) vs. Schwarzbrache Mikroporen (r < 15 mm) Volumen + 45 % Unplanted Brache P. Phacelia tanacetifolia Porenradius radius (mm) ( m) Bio-Makroporen 28/36

29 Zwischenfrucht und Bodenphysik Wurzelmorphologie und Porenraum Unbepflanzt Grobe Wurzeln Saatplatterbse Feine Wurzeln Phacelia Mikroporen 1 (r<2,5 mm) 2,3 1,9 5,5 Mikroporen 2 (2,5 r <15 mm) 7,4 6,1 8,6 Mesoporen (15 r <37,5 mm) 6,1 5,5 5,5 Makroporen 1 (37,5 r <500 mm) Porenvolumen in Vol. % 14,9 17,8 13,1 Makroporen 2 (r>500 mm) 3,8 9,1 5,2 SUMME 34,5 40,4 (+ 17 %) 37,9 (+ 10 %) Foto und Zeichnung: Kutschera et al. (2009) Wurzelatlas Saatplatterbs e Phacelia 29/36

30 Bodenstruktur Krumenlockerung durch Wurzelverbauung 1.6 Lockerung durch Grubber (0-15 cm) 1.60 Keine Zwischenfrucht Wurzler Intensiv- Lagerungsdichte (g cm -3 ) Lagerungsdichte (g cm -3 ) Tag nach Bearbeitung Wurzelvolumendichte (cm 3 cm -3 ) 30/36

31 Bodenstruktur Regenverdaulichkeit fördern durch Begrünung 60 Dicke Wurzeln Wurzeln Feine Feinwurzler Pflahlwurzler 10 Wasserleitfähigkeit Ks (cm h -1 ) Oberflächenabfluss (mm) Spezifische Wurzellänge (cm g -1 ) Durchwurzelung (Summenparameter - ) 31/36

32 Humus Zwischenfrucht für Humus-Sicherung Trockenmasse (kg ha -1 ) ca. 480 kg C ha - 1 ca. 240 kg C ha - 1 Kultur Winterweizen (Stroh bleibt) 160 Zwischenfrucht 300 Zuckerrübe (Blatt bleibt) -900 Humus-C (kg ha -1 ) 0 Leguminose früh Leguminose spät Wurzel früh Wurzel spät Sommergerste (Stroh bleibt) 20 Zwischenfrucht 300 Körnermais (Stroh bleibt) 200 Bilanz + 80 mit ZF ohne ZF 32/36

33 Humus 60 % Biomasse ZwischenfruchtWURZ EL für Humus-Sicherung 40 % Biomasse 33/36

34 Humus Aggregatstabilität (%) Mikrobielle Respiration (mg CO 2 g -1 h -1 ) a a Pflug b a c b Grubber Scheibenegge b bc Direktsaat Humus = Stabile organische Substanz Chemisch: Lignin und Suberin Physikalisch: In Aggregaten Örtlich: Im Unterboden Schmidt et al. (2011) Nature 34/36

35 Schlussfolgerungen Boden ist ein LEBENDIGES SYSTEM. Daher ist es möglich, durch Management Einfluss zu nehmen. Ein gesunder Boden erfordert ein AKTIVES MANAGEMENT DER BODENBIOLOGIE. Die Zwischenfrucht ist ein Werkzeug dafür. Bodenbewirtschaftung durch Zwischenfrüchte liefert: Mit der Bodenstruktur einen besseren Luft- und Wasserhaushalt. Mit dem Humusgehalt eine höheres natürliches Nährstoffangebot. 35/36 35/26

36 Universität für Bodenkultur Wien Department für Nutzpflanzenwissenschaften Abteilung Pflanzenbau Arbeitsgruppe Pflanzliche Produktionsökologie Priv. Doz. DI Dr. Gernot Bodner Konrad-Lorenz-Straße 24, A-3430 Tulln Tel.: , Fax: gernot.bodner@boku.ac.at, /18