Aggregatstabilisierung zur Bodenschonung Maximilian Breiner, Axel Mentler, Gernot Bodner Universität für Bodenkultur, Wien Institut für Bodenforschung Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner
Gliederung 1. Einführung: Bodenaggregatstabilität 2. Fragestellung und Hypothesen 3. Material und Methoden 4. Ergebnisse 5. Schlussfolgerungen und Zusammenfassung Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 2
Einleitung Aggregat Fraktionen 1) Gesiebter Boden 2000-1000 µm 2) Aggregatfraktion 250-200 µm 3) Aggregatfraktion 200-63 µm Fig. 2-4 Aggregatfraktionen Auflichtmikroskop Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 3
Einleitung Aggregate Struktur und biochemische Umsetzungen Die organische Substanz im Boden ist essentiell für die Bildung von Bodenaggregaten (von Mikroaggregaten bis zu Makroaggregaten) Vorteile eines hoch aggregierten Bodens: Verringerung der Erosion Verbesserte Bodenstruktur Erhöhung der Infiltrationsrate Kohlenstoffspeicherung und Verteilung ipom Intrapartikulärer organischer Kohlenstoff (intra particulate organic matter) POM Partikulärer Kohlenstoff (particulate organic matter) t n Prozesssteuerung (process rate modifier) Zeit Fig. 1 Aggregierung und Umsetzungen Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 4
Fragestellung und Hypothesen F1: Wie beeinflusst die Bodenbearbeitungsintensität direkt oder indirekt die Bodenaggregatstabilität? F2: Welche Parameter stehen mit der Aggregatstabilisierung in Zusammenhang und wie wirkt sich intensive Durchwurzelung aus? Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 5
Material & Methoden Versuchsfläche 12 Flächen, 6 x 80 m in Hollabrunn (Niederösterreich) Langzeitbodenbearbeitungsversuch seit 2009 Chernosem, lehmiger Schluff Fig. 1-2 Säen Hollabrunn Sand (%) Schluff (%) Ton (%) N tot (%) C org (%) CaCO 3 (%) C/N ph CaCl ph H 2 O 19.8 58.2 22 0.11 2.54 7.3 15.29 7.5 8.3 Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 6
Material & Methoden Bodenbearbeitungssysteme 1. Konventionelle Bodenbearbeitung : Grubber / Pflug / Saatbettkomb. / Sämaschine 2. Reduzierte Bodenbearbeitung : Grubber / Scheibenegge / Sämaschine 3. Minimale Bodenbearbeitung : Scheibenegge / Sämaschine 4. Keine Bodenbearbeitung : Sämaschine Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 7
Konventionelle Bodenbearbeitung Reduzierte Bodenbearbeitung Material & Methods Soil tillage systems 1. Conventional tillage: cultivator / plough / seedbed preparation / sowing Minimalbodenbearbeitung 2. Reduced Tillage: cultivator / disc / sowing Keine Bodenbearbeitung 3. Minimum Tillage: disc / sowing 4. No Tillage: sowing Fig. 3-6 Versuchsvarianten, Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Hollabrunn Breiner 8
Material & Methoden Versuchsfläche Probenahme im August 2014 am Ende der Vegetationsperiode Proben aus dem Rhizosphärenbereich und dem Gesamtboden aus 10 cm Tiefe. Fig. 7-8 Probenahme Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 9
Material & Methoden Laboranalysen Boden Aggregatstabilität (SAS) Nasssiebung (SAS) und Ultraschall Dispergierung (USAS) Aktive mikrobielle Biomasse Substrate induzierte Respiration (SIR) Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) Ultraschall Dispergierung, Photometrie Ergosterol (Pilz Biomasse) Flüssigkeitschromatographie (HPLC) Glomalin (Bodenprotein) Autoklavierung und photometrische Messung Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 10
Material & Methoden Bodenaggregatsabilität Fig. 9 Ultraschallsonde Fig. 10 Siebturm Maschenweite:2000-1000 µm 1000-650 µm 650-250 µm 250-200 µm 200-63 µm Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 11
Ergebnisse Bodenaggregatstabilität [w/w%] SAS USAS Soil aggregate stability [% DM] wet sieving 25 20 15 10 5 a rhizosphere bulk soil a ab Treatment: p<0.001 Position: p=0.786 Treatment x Position: p=0.034 ab cd bc cd d Soil aggregate stability [% DM] ultrasonic dispersion 30 20 10 rhizosphere bulk soil A Treatment: p<0.001 Position: p=0.150 Treatment: p<0.001 Treatment x Position: p=0.100 Position: p=0.786 C Treatment x Position: p=0.034 B AB 0 CT RT MT NT 0 CT RT MT NT CT - konventionelle Bodenbearb. RT - reduzierte Bodenbearb. MT - minimierte Bodenbearb. NT - no tillage, keine Bodenbearb. Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 12
Ergebnisse Aggregate Klassen Soil Aggregate Stability [% DM] ultrasonic dispersion 20 15 10 5 0 p<0.001 Conventional tillage Reduced tillage Minimum tillage No tillage USAS Aggregatfraktionen [w/w%] a a a a a a a a abc abc 1000 µm 630 µm 250 µm 200 µm 63 µm bc c ab a ab ab d d de e Aggregate size fractions Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 13
Ergebnisse Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) SAS/DOC SAS Soil aggregate stability [% DM] 22 20 18 p=0.045 R 2 =0.91 r =0.954 y=5.32*x-19.56 NT 16 14 MT 12 10 RT 8 6 CT 4 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 Dissolved organic carbon [mg g -1 DM] Dissolved organic carbon [mg g -1 DM] 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 a rhizosphere bulk soil a b bc Treatment: p<0.001 Treatment: Position: p<0.001 p=0.002 Treatment Position: x Position: p=0.786p=0.005 Treatment x Position: p=0.034 CT RT MT NT cd de bcd e Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 14
Ergebnisse Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) / Ultraschall Energie Ratio NT/CT 1.49 1.41 1.25 1.27 1.17 0.8 Dissolved Organic Carbon [mg g -1 DM] 0.6 0.4 0.2 Conventional tillage No tillage 0.0 0 15 30 45 60 75 90 105 120 Time of sonication [sec] Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 15
Ergebnisse Aktive mikrobielle Biomasse Dissolved organic carbon [mg g -1 DM] 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 DOC/SIR p=0.037 R 2 =0.93 y=0.04*x+3.77 CT 4.5 20 40 60 80 100 NT RT MT Active microbial biomass [mg biomass-c kg -1 DM] 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 SIR Treatment: p<0.001 Position: p=0.076 Treatment x Position: p=0.040 rhizosphere bulk soil a a b b CT RT MT NT bc c bc bc Active microbial biomass [mg CO 2 100 g -1 DM] Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 16
Ergebnisse Ergosterolgehalt [mg/kg] und Mykorrhizierungsgrad [%] Ergosterol Mykorrhiza Ergosterol [mg kg -1 DM] 7 6 5 4 3 2 1 0 a rhizosphere bulk soil a bcd cd Treatment: p<0.001 Treatment: Position: p<0.001 p=0.002 Treatment Position: x Position: p=0.786 p=0.006 Treatment x dposition: p=0.034 CT RT MT NT bc ab cd Mycorrhizal population of roots [%] 50 40 30 20 10 0 B A AB CT RT MT NT Treatment: p=0.009 B Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 17
Ergebnisse Glomalin [mg/g] Soil aggregate stability [% DM] 20 18 16 14 12 10 8 SAS/Glomalin NT p=0.006 R 2 =0.98 y=50.79*x-93.5 MT RT CT 6 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 2.25 Glomalin [mg g -1 DM] Glomalin [mg g -1 DM] 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 Glomalin rhizosphere bulk soil A AB Treatment: p<0.001 Position: p=0.619 Treatment x Position: p=0.131 BC CT RT MT NT C Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 18
Zusammenfassung Verringerung der Bodenbearbeitungsintensität führt zu einer Erhöhung der Bodenaggregatstabilität. Es gibt keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Boden im Bereich der Rhizosphäre und dem Boden zwischen den Reihen im Bezug auf die Aggregatstabilität. Makroaggregate werden stark von der Bodendurchmischung beeinflusst. Die aktive mikrobielle Biomasse und der Glomalingehalt im Boden korrelieren positiv mit Aggregatstabilität Erhöhung des Glomalingehaltes um 9% von CT zu NT Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 19
Fig. 14 Pflügen Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 20
Bodenaggregatstabilität und Infektionsdruck bei Fusarien bei unterschiedlichen Bodenbearbeitungssystemen Boden Transferfunktionen Pflanze Bodenbedeckung Bodenbearbeitungssystem Fusarium Sporen Fusariumhyphen Antagonisten Umweltbedingungen Bodenaggregat Infektionwege Infektiondruck Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner
CT RT NT TOC gespeichert in kleinen Aggregatfraktionen ist vor Mineralisation geschützt Mineralisationsbariere Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner
Literatur Kasper, M., Buchan, G.D., Mentler, A., Blum, W.E.H., 2009. Influence of soil tillage systems on aggregate stability and the distribution of C and N in different aggregate fractions. Soil Tillage Res. 105, 192 199. Kladivko, E.J., 2001. Tillage systems and soil ecology. Soil Tillage Res. 61, 61 76. Six, J., Elliott, E.T., Paustian, K., 2000. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture. Soil Biol. Biochem. 32, 2099 2103. Fig. 1 Six et al., 2000 Fig. 2-14 Breiner, 2014 & 2015 Fig. 14 Fig. 15 http://www.landwirt.com/trimble-steuert-vario-pflug-mit-gps,,10344,,bericht.html https://ntf.no-tillfarmer.com/pages/product-2014-planters,-drills-&-air-seeders.php Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 23
2014 Signifikanz Mehrjährig (3-jährig) Variante Ertrag in Prozent von Konventioneller Bodenbearbeitung Ertrag in dt/ha bei 14 % Wassergehalt im Korn Beschreibung Rohertrag Körnermais Erntefeuchte % University of Natural DON Resources and µg/kg 2014 2014 2013 2009 2014 1 Konventionelle Bodenbearbeitung 100 a 100 30,2 107,7 117,0 119,8 3939 2 Minimierte Bodenbearbeitung 106,2 a 99,7 31,6 114,0 122,0 106,0 3740 3 Minimalbodenbearbeitung 105,8 a 96,4 31,9 113,7 115,3 101,1 3564 4 Keine Bodenbearbeitung 108,8 a 97,7 33,8 116,9 114,3 103,4 4061 Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 24
Beschreibung Gerät Grundbodenbearbeitung und vorbereitende Pflegemaßnahmen Grubber Mulchen Maisstroh Pflug Saatbettbereitung Scheibenegge Scheibenegge Federzinkenkomb. Einzelkornsaat Mais Saat (Kuhn Maxima) Vorwerkzeug (Coulther) Datum der Durchführung: 28.10.2013 28.10.2013 27.10.2013 28.10.2013 14.03.2014 13.03.2014 14.05.2014 Konventionelle Bodenbearbeitung P - - - P P - - - P P P Minimierte Bodenbearbeitung P - - - P - - - P - - - P P Minimalbodenbearbeitung - - - P P - - - - - - - - - P P Keine Bodenbearbeitung - - - - - - P - - - - - - - - - P P Institut for Soil research I www.boku.ac.at I Maximilian Breiner 25