Federal Department of Economic Affairs,

Education and Research EAER

Agroscope

www.agroscope.ch I good food, healthy environment

Bodenstruktur – die funktionelle Architektur des Bodens

Thomas Keller1,2 und Peter Weisskopf1

1Agroscope, Forschungsbereich Agrarökologie & Umwelt, Zürich, Schweiz(E-mail: thomas.keller@agroscope.admin.ch)

2Swedish University of Agricultural Sciences, Department of Soil & Environment, Uppsala, Sweden

2

Was ist Bodenstruktur?

Photo: Gaby Brändle Agroscope, Switzerland

3

Was ist Bodenstruktur?

Photo: Bettina Marbot, Agridea, Switzerland

4

Beispiel: Bodenstruktur und funktionale Eigenschaften nach 20 Jahren Direktsaat und Pflug

Photos: Ingrid Martínez, Agroscope (CH)

Pflug

Direktsaat

Martínez et al. 2016. Soil & Tillage Research 163.

Lagerungsdichte (Mg m-3) org C (%)

Bo

den

tief

e(c

m)

5

Ertrag von verschiedenen Kulturen: Direktsaat vs. konventionelle Bodenbearbeitung

(Meta-Studie)

Pittelkow et al. 2015. Field Crops Research 183

Alle Kulturen

Ölsaaten, Baumwolle

Hülsenfrüchte

Getreide

Diverse

Hackfrüchte

Weizen

Diverse Getreide

Reis

Mais

ErtragseinbusseDirektsaat (%)

Ertrag konventionelleBodenbearbeitung

ErtragseinbusseDirektsaat (%)

Ertrag konventionelleBodenbearbeitung

Alle Kulturen Getreide

6

0 2000 6000 100000

12

34

56

y [hPa]

Me

ch

an

ica

l im

pe

da

nce

[M

Pa]

R2 = 0.33, p = 0.052

0 2000 6000 10000

01

23

45

6

y [hPa]

Me

ch

an

ica

l im

pe

da

nce

[M

Pa]

R2 = 0.80, p < 0.01

0 2000 6000 10000

01

23

45

6

y [hPa]

Me

ch

an

ica

l im

pe

da

nce

[M

Pa]

R2 = 0.54, p < 0.01

0 2000 6000 10000

01

23

45

6

y [hPa]

Me

ch

an

ica

l im

pe

da

nce

[M

Pa]

R2 = 0.68, p < 0.01

2015−06−18 2015−08−03 2015−09−18

01

23

45

6

Date

log

10 y

[h

Pa

]

2015−06−18 2015−08−03 2015−09−180

12

34

56

Date

log

10 y

[h

Pa

]

2015−06−18 2015−08−03 2015−09−18

01

23

45

6

Date

log

10 y

[h

Pa

]

2015−06−18 2015−08−03 2015−09−18

01

23

45

6

Date

log

10 y

[h

Pa

]

a) b)

e) f)

c) d)

g) h)

Wenn wir den Boden verdichten…Colombi et al. 2018 Science of the Total Environment In press.

0 2000 6000 10000

01

23

45

6

y [hPa]

Me

ch

an

ica

l im

pe

da

nce

[M

Pa]

R2 = 0.33, p = 0.052

0 2000 6000 10000

01

23

45

6

y [hPa]

Me

ch

an

ica

l im

pe

da

nce

[M

Pa]

R2 = 0.80, p < 0.01

0 2000 6000 100000

12

34

56

y [hPa]

Me

ch

an

ica

l im

pe

da

nce

[M

Pa]

R2 = 0.54, p < 0.01

0 2000 6000 10000

01

23

45

6

y [hPa]

Me

ch

an

ica

l im

pe

da

nce

[M

Pa]

R2 = 0.68, p < 0.01

2015−06−18 2015−08−03 2015−09−18

01

23

45

6

Date

log

10 y

[h

Pa

]

2015−06−18 2015−08−03 2015−09−18

01

23

45

6

Date

log

10 y

[h

Pa

]

2015−06−18 2015−08−03 2015−09−18

01

23

45

6

Date

log

10 y

[h

Pa

]

2015−06−18 2015−08−03 2015−09−180

12

34

56

Date

log

10 y

[h

Pa

]

a) b)

e) f)

c) d)

g) h)

Verdichtet:

Unverdichtet:

feucht… ….trocken

we

ich

……

.har

t

feucht… ….trocken

we

ich

……

.har

t

feu

cht…

….t

rock

en

feu

cht…

….t

rock

en Q: sehr hoch

Q: sehr hoch

Q: hoch

Q = mechanischer Widerstand

10 cm Bodentiefe

10 cm Bodentiefe

Ertrag: 17.1 Mg ha-1

Ertrag: 5.9 Mg ha-1

7

Wie lange bleibt ein verdichteter Boden verdichtet?

Keller et al. 2017. Vadose Zone Journal 16

8

Feldversuch Bodenstrukturregeneration nachVerdichtung – “Soil Structure Observatory (SSO)”

Keller et al. 2017. Vadose Zone Journal 16

Initiale Verdichtung mit 8 Tonnen Radlast im März 2014

Vier Bewirtschaftungsverfahren (nach der Verdichtung begonnen):• Dauerwiese (natürliche Regeneration mit Pflanzen)• Schwarzbrache (natürliche Regeneration ohne Pflanzen)• Fruchtfolge ohne mechanischer Bodenlockerung

(Direktsaat)• Fruchtfolge mit mechanischer Bodenlockerung (Pflug)

Monitoring Bodenzustand (Feuchtigkeit, Temperatur, CO2 und O2 in der Bodenluft, Redox-Zustand)

Regelmässige Beprobung: Bodenstruktur und funktionelleEigenschaften, Regenwurmpopulationen, Pflanzeneigenschaften

9

Einfluss von Verdichtung auf die Porenstruktur

Keller et al. 2017. Vadose Zone Journal 16

10

Entwicklung Lagerungsdichte, 0.1 m Tiefe(relativ zu unverdichtet, Dauerwiese)

PG – DauerwieseBS – SchwarzbracheNT – Fruchtfolge, DirektsaatCT – Fruchtfolge, Pflug

Rel

ativ

e La

geru

ngs

dic

hte

Monate nach VerdichtungVerdichtungBodenbearbeitung (nur CT)

11

Entwicklung rel. Gasdiffusionskoeff., 0.1 m Tiefe(relativ zu unverdichtet, Dauerwiese)

PG – DauerwieseBS – SchwarzbracheNT – Fruchtfolge, DirektsaatCT – Fruchtfolge, Pflug

Rel

ativ

e G

asd

iffu

sio

n

Monate nach VerdichtungVerdichtungBodenbearbeitung (nur CT)

12

PG – DauerwieseBS – SchwarzbracheNT – Fruchtfolge, DirektsaatCT – Fruchtfolge, Pflug

Rel

ativ

e G

asd

iffu

sio

n

Entwicklung rel. Gasdiffusionskoeff., 0.3 m Tiefe(relativ zu unverdichtet, Dauerwiese)

Monate nach VerdichtungVerdichtung

13

Natürliche Prozesse:

• Abiotische Prozesse: Schrumpf-Quell-Vorgängeaufgrund Austrocknung-Benetzungszyklen und Gefrier-Tau-Vorgängen

• Biotische Prozesse: Wurzel-Boden-Interaktionen, Bioturbation durchRegenwürmer

Anthropogene Prozesse:

• Bodenbearbeitung

Regenerationsmechanismen, oder allgemeiner: Bodenstrukturfördernde Prozesse

14

«Vortriebsleistung» von Bodenorganismen

Regenwürmer: Jährliche Transportraten (MengeBoden, die durch den Darm von Regenwürmer passiert) kann sich auf mehrere Hundert Tonnen Boden pro Hektare belaufen (Drake & Horn 2007. Ann. Rev. Microbiol. 61)

Bodennistende Wildbienen:Watanabe (1997) berechnete die MengeBoden, die von Andrena prostimias in einem japanischen Tempelgarten “zu Tagegefördert wurde” auf 27 Mg ha-1.(Watanabe 1997. App. Soil Ecol. 9)

Sarzetti et al. 2013. J. Hymenoptera Res. 33Photo: Thomas KellerPhoto: Bettina Marbot, Agridea (CH)

15

Wieviel Energie braucht eine Wurzel oder ein Regenwurm, um neue Porenräume zu schaffen?

Ruiz et al. 2017. Vadose Zone Journal 16

Regenwürmer brauchen ca. 3 mal mehr Energie als Wurzeln, da sie ca. 1000 mal schneller sind

Wurzeln können einen fast 10 mal höheren Druck ausüben als Regenwürmer

Deshalb können Wurzeln unter trockeneren Bodenbedingungen noch wachsen, während der Widerstand für Regenwürmer zu hoch ist

Wassergehalt (g g-1)

Me

chan

isch

eEn

erg

ie(J

m-1

)

Rad

ials

pan

nu

ng

(“D

ruck

”) (

kPa)

16

Wurzelwachstumsrate = f (mechanischer Widerstand im Boden, Wurzeleigenschaften)

Colombi et al. 2017. Plant Physiology 174

«Spitzige» Wurzeln wachsen schneller

Durch Selektion oder Züchtung könnten Sorten ausgewählt/gefunden werden, dessen Wurzeln schneller wachsen.

Dadurch könnte potenziell ein grösseres Bodenvolumen erschlossen werden, was:1. zu Ertragsstabilität führt, und2. die Bodenstrukturentwicklung (z. B. nach einem Verdichtungsschaden) beschleunigt

Mechanischer Widerstand

Wu

rze

l-W

ach

stu

msr

ate

17

Und wieviel Kohlenstoff braucht ein Regenwurm für die Bioturbation?

“schneller” Regenwurm“langsamer” Regenwurm

Ruiz et al. 2017. Vadose Zone Journal 16

Org C

Regenwurm-Bioturbation

Boden-qualitätPflanzen-

wachstum

Wurzeln

Wassergehalt (g g-1)M

ech

anis

che

Ene

rgie

(J m

-1)

Org

C V

erb

rau

chp

ro L

änge

Re

gen

wu

rmga

ng

(g m

-1)

18

Schlussfolgerungen

• Die Bodenfunktionalität ist an die Bodenstruktur gekoppelt

• Bewirtschaftung und Befahrung haben einen grossen Einfluss auf die Bodenstruktur und Bodenfunktionen

• Relevante Zeitskalen Bodendegradation (z. B. Bodenverdichtung):• Degradation (Verdichtung): Sekunden• Bodenstrukturaufbau/Regeneration

Oberboden: Jahre• Regeneration Unterboden: Jahrzehnte

• Potenzial: natürliche Prozesse besser unterstützen (ausnützen), um die Bodenstrukturentwicklung zu beschleunigen

With permission of Sarah McClelland, http://littlebinsforlittlehands.com/

19

Vielen Dank

Tino Colombi, Jan Rek, René Reiser, Hansruedi Oberholzer, Viktor Stadelmann, Marlies Sommer, Annika Tella, Lina Grahm, Andrea Bonvicini, Susanne Müller, Franco Widmer, Fritz Käser, Stefan Schwarz, Ernst Uhlmann, Dani Schmid, Marcel Locher, Hanspeter Müller, Sepp Helbling, Theodor Neukomm, Andres Sauter, Beat Kürsteiner Agroscope

Dani Or, Siul Ruiz, Stan Schymanski, Hans Wunderli, Dani Breitenstein, Norbert Kirchgessner, Achim Walter ETH Zürich

Andreas Chervet, Wolfgang G. Sturny Bodenschutz LANAT Zollikofen

Matthias Stettler HAFL Zollikofen

Ararso Etana, Inge Håkansson, Tomas Rydberg SLU, Uppsala, Sweden

Finanzierung:

SNF Schweizerischer Nationalfonds, Nationales Forschungsprogramm NFP 68 «Nachhaltige Nutzung der Ressource Boden», grant no. 406840-161902

Formas The Swedish Research Council for Environment, Agricultural Sciences and Spatial Planning