Projekt 34415/01

Verbesserung der Nährstoffeffizienz und der Bodenfruchtbarkeit im Landbau Praxisorientiertes, integrierendes Bewertungs- und Beratungsverfahren zur schnellen Einschätzung der Bodenstruktur im Feld

Projektdurchführung

FuE-Zentrum Fachhochschule Kiel GmbH
Schwentinestr. 24
24149 Kiel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielsetzung des Forschungsvorhabens war es: a) detaillierte Daten über den aktuellen Strukturzustand repräsentativer Ackerstandorte in Schleswig-Holstein zu erarbeiten, b) aus dem dann sehr komplexen Datensatz auf Grundlage von Regressionsanalysen relevante Zusammenhänge zwischen optisch erkennbaren Strukturmerkmalen und besonders bodenphysikalischen Bodeneigenschaften zu erkennen und c) Erkenntnisse über die Bedeutung der Bodenstruktur für Boden-funktionen (u.a. Produktionsfunktion, Filter- und Speicherfunktion) zu erhalten und d) mit Hilfe dieser Zusammenhänge vorhandene optische Methoden zur Beurteilung der Bodenstruktur weiterzuentwickeln (= Beratungstool).


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuswahl von 45 für Schleswig-Holstein repräsentativer Ackerstandorte.
Beprobung von jeweils 15 Ackerstandorten in den Jahren 2019 – 2021.
Feldmethoden: VESS = Visual Estimation of Soil Structure; Ertragserhebungen
Labormethoden: gesättigte Wasserleitfähigkeit (vertikal/horizontal), Wasserretentionskurve, Crushing-Test (Tensile Strength), Nasssiebverfahren (Mean Weight Diameter), Körnungsanalyse (Pipettmethode nach Köhn), pH-Wert (CaCl2), Corg (Verbrennungsmethode)
Bildanalyse: a) Anfertigung von Dünnschliffen, Mikroskopie, quantitative Bildanalyse (Porenflächen > 10 µm), b) Anfertigung von röntgentomographischen Scans, quantitative Bildanalyse (Porenvolumen > 50 µm, Eulerzahl größte zusammenhängende Pore)
Abschätzung des Bodenstrukturzustandes von Ackerstandorten in Schleswig-Holstein.
Durchführung von Regressionsanalysen, um Zusammenhänge a) zwischen einzelnen bodenphysikalischen Parametern, b) zwischen VESS-Score und bodenphysikalischen Parametern, c) zwischen Ertrag und bodenphysikalischen Parametern und d) zwischen bildanalytischen Parametern und bodenphysikalischen Parametern zu identifizieren.
Entwurf bzw. Weiterentwicklung eines Beratungstools zur besseren Einschätzung des Bodenstrukturzustandes im Feld.


Ergebnisse und Diskussion


Strukturzustand der Ackerböden in Schleswig-Holstein
Die Ergebnisse der bodenphysikalischen Untersuchungen zeigen zunächst, dass zwischen den sandigen Standorten der Geest auf der einen und den lehmigen bzw. schluffig-tonigen Standorten des östlichen Hügellandes sowie der Marsch differenziert werden muss. Während für die sandigen Standorte auf Grundlage der CVT-Methode nach Zink et al. (2011) nur auf wenigen Standorten (ca. 6%) in der 2. und 3. Tiefe eindeutige Anzeichen des Vorhandenseins von Schadverdichtungen festgestellt werden konnten, lagen auf den lehmigen (ca. 17 %) in der 2. Tiefe und besonders auf den schluffig-tonigen (ca. 67 %) Standorten in der 2. und 3. Tiefe diese Anteile deutlich höher. Auch die Analysen hinsichtlich der primären Ausrichtung des Porensystems zeigen, dass auf den schweren Standorten in der 2. Entnahmetiefe eine überwiegend horizontal ausgerichtete Anisotropie des Porensystems vorliegt. Für die schluffig-tonigen Standorte (überwiegend Marschen) konnte dies auch in der 3. Tiefe nachgewiesen werden. Ein weiteres, in der Literatur (u.a. Horn et al. 2009) häufig verwendetes Kriterium zur Einordnung des Bodenstrukturzustandes stellt der Grenzwert von 1,7 [g/cm³] für die effektive Lagerungsdichte dar. Auch mit diesem Parameter konnten schädliche Strukturzustände in allen drei Entnahmetiefen für die untersuchten Standorte identifiziert werden.
Die Ergebnisse des „Crushing-Tests“ zeigen, dass kleine Aggregate stabiler als große Aggregate sind, zudem steigt die Aggregatstabilität mit dem Tongehalt deutlich an. Hinsichtlich der Strukturbeurteilung der untersuchten Standorte ist festzustellen, dass die Aggregatstabilität gegenüber mechanischen Belastungen in der 2. Entnahmetiefe tendenziell höher als in der 1. und 3. Tiefe ist. Diese Tendenz wird bei einer Differenzierung zwischen Standorten über bzw. unter 12 % Ton deutlicher, d.h. bei Standorte > 12 % Ton sind die Aggregate der 2. Entnahmetiefe stabiler bei mechanischer Belastung als diejenigen der 1. und insbesondere der 3. Tiefe. Die Ergebnisse der Nasssiebung zeigen ein komplett anderes Bild, hier weisen die Aggregate der 2. Beprobungstiefe die höchste Verschlämmungsneigung, das heißt die geringste Stabilität auf. Dieser Unterschied wird bei einer Differenzierung der Standorte in solche über bzw. unter 12 % noch deutlicher. Es ist bekannt, dass Struktureinheiten bei höheren Tongehalten im trockenen Zustand generell gegenüber mechanischer Belastung sehr stabil sein können, bei Wasseraufnahme aber durch den entstehenden Quellungsdruck leicht zerfallen. Dies gilt gerade für Aggregate im „Erstschrumpfungszustand“. Die höhere Belastbarkeit der Aggregate der 2. Tiefe ist durch die wiederholte mechanische Belastung dieser Bodenhorizonte durch direkte Überrollungen (u.a. Fahren in der Pflugfurche) und das Einwirken von Bearbeitungswerkzeugen zu erklären. Dies wird durch deutlich höhere Lagerungsdichten der 2. gegenüber der 1. Entnahmetiefe bestätigt.
Die bisher diskutierten Ergebnissen zeigen, dass besonders bei Böden mit über 12 % Ton eindeutige Anzeichen von Bodenschadverdichtungen im Übergang zwischen bearbeiteten und unbearbeiteten Bodenhorizonten nachgewiesen werden konnten. Diese wirken sich offensichtlich auch auf die Ertragsleistung der Standorte aus: Mit Hilfe des Müncheberger Soil Quality Ratings (MSQR) nach Müller et al. (2007) wird gezeigt, dass die Erträge auf den untersuchten Standorten mit abnehmendem MSQR sinken. Anhand von bodenphysikalischen Parametern nachgewiesene Schadverdichtungen in der 2. Entnahmetiefe wirken sich also im Untersuchungszeitraum (2019 – 2021) direkt auf das Ertragsgeschehen der untersuchten Standorte aus.
Anwendung von bildanalytischen Verfahren zur Beurteilung der Bodenstruktur
Die im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen konnten Zusammenhänge zwischen den bildanalytischen Methoden und der Porengrößenverteilung (vgl. Kap. 6.1.2 und 6.1.3) hergestellt werden, die Ergebnisse von Virto et al. (2005), Munkholm (2012) und Stoops (2020) bestätigen. Jedoch hat die große Bandbreite der Standorte und Bewirtschaftungsweisen auch gezeigt, dass ein allgemeiner Rückschluss von bodenphysikalischen Eigenschaften auf bildhaft erfasste Daten nicht über alle hier erhobenen Daten möglich ist. Enge Zusammenhänge zwischen visuellen Bodenstrukturmerkmalen (VESS) oder Aggregatstabilitätsparametern mit bildanalytischen Ergebnissen konnten nicht nachgewiesen werden. Auch Zusammenhänge zu Funktionalitätsparametern, wie der gesättigten Wasserleitfähigkeit, konnten nicht identifiziert werden. Die schwachen Zusammenhänge können u.a. damit begründet werden, dass die verschiedenen Parameter an unterschiedlichen Proben erhoben wurden und die Bodenstruktur von Natur aus sehr heterogen ausgeprägt ist.
Ein Vergleich der über die Dünnschliffe ermittelten Porenfläche > 50 µm und der durch Auswertungen röntgentomographischer Scans berechneten Makroporosität zeigt unterschiedliche Ergebnisse. Zwar befinden sich die Werte auf einem vergleichbaren Niveau hinsichtlich des Anteils der Porenfläche an der Bodenmatrix, es zeigt sich jedoch, dass die Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Dies ist einerseits auf die hohe und auf engen Raum stark variierende Bodenstruktur zurückzuführen. Andererseits ist auch zu berücksichtigen, dass der Ausschnitt einer zweidimensionalen Betrachtung von Bodenmaterial auf einem 28 mm x 48 mm großen Objektträger nicht die gleiche Repräsentativität aufweist, wie ein dreidimensionales Bild einer ungestörten Bodenprobe aus einem 100 cm³ Stechzylinder. Außerdem sind die große Bandbreite der untersuchten Bodentypen sowie jahreszeitliche Effekte in diesem Zusammenhang sehr entscheidend.
Entwicklung eines Beratungstools
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Beratungstools zur schnellen Beurteilung des Bodenstrukturzustandes im Feld. Grundlage hierfür sollten Korrelationsanalysen zwischen sichtbaren Strukturmerkmalen auf verschiedenen Skalenebenen und der Ausprägung bodenphysikalischer Parameter sein. Die Überprüfung der Zusammenhänge zwischen einzelnen bodenphysikalischen Parametern hat ergeben, dass, auch nach Gruppierung der Daten in Standorte über bzw. unter 12 % Ton, nur wenige eindeutige Korrelationen auf Grundlage des vorliegenden Datensatzes nachgewiesen werden konnten. Dies ist auf verschiedene Ursachen zurückzuführen: a) unterschiedliche, oft nicht bekannte Bewirtschaftung (u.a. Bodenbearbeitung, Fruchtfolge) b) die Probenahme erfolgte über einen Zeitraum von drei Jahren, so dass Witterungseinflüsse zu berücksichtigen sind c) Heterogenität der Standorte: während 33 Standorte einen Tongehalt unter 12 % Ton aufwiesen, gingen nur 12 Standorte mit höheren Tongehalten in die Grundgesamtheit ein. Ziel muss es daher sein, die Grundgesamtheit der Standorte sukzessive und möglichst über einen längeren Zeitraum zu erhöhen. Als Grundlage der Strukturbeurteilung im Feld und auch Ausgangsmaterial für die Entwicklung eines erweiterten Beratungstools für die Ackerstandorte Schleswig-Holsteins/Norddeutschlands sollte das Bewertungsschema Visual Estimation of Soil Structure VESS nach Ball et al. (2007) für den Oberboden bzw. für den Unterboden das SubVESS Schema nach Ball et al. (2015) herangezogen werden. Als Grundlage der Weiterentwicklung sollten Zusammenhänge zwischen bodenphysikalischen Laborparametern und visuellen bzw. bildhaften Merkmalen bzw. daraus berechneten Parameter dienen. Die bisherige Auswertung lassen für Böden < 12 % Ton keinen bzw. nur schwach ausgeprägte Zusammenhänge erkennen. Für Böden > 12 % Ton konnten hingegen Zusammenhänge hergestellt werden. Johannes et al. (2017) sind zu vergleichbaren Erkenntnissen gekommen: Im Freiland konnten sie keine engen Beziehungen zwischen VESS-Score und physikalischen Eigenschaften nachweisen. Lediglich mit der Beurteilung der Bodenstruktur an natürlich gelagerten Bodensäulen unter standardisierten Bedingungen (u.a. einheitlicher Wassergehalt) mit Hilfe der von ihnen entwickelten Core-VESS konnten engere Beziehungen erzielt werden. Somit wird deutlich, dass die von Ball et al. (2007, 2015) entwickelten VESS bzw. SubVESS Schemata nicht ausreichen, um von sichtbaren Merkmalen im Feld direkt auf konkrete Bodeneigenschaften zu schließen, bzw. diese ableiten und quantifizieren zu können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Tagungsbeiträge
Eurosoil 2021 (Online)
Müller, G., Wiermann, C., Peth, S., Fleige, H., Cordsen, E., Ormeno, J.: Evaluation Tool to determine soil structure effects on nutrient use efficiency (Posterbeitrag)

ISTRO 2022 (Tagung abgesagt)
Müller, G., Peth, S., Uteau, D., Ormeno, J., Fleige, H., Cordsen, E., Wiermann, C.: Correlation of visual soil evaluation characteristics with yield data and physical soil parameters (Posterbeitrag)

DBG Trier 2022
Cordsen, E., Müller, G., Fleige, H., Peth, S., Uteau, D., Wiermann, C.: Entwicklung eines Beratungstools zur Beurteilung der Bodenstruktur und Verbesserung der Nährstoffverfügbarkeit (Posterbeitrag)
Müller, G., Wiermann, C., Fleige, H., Peth, S., Uteau, D., Cordsen, E.: Abgleich physikalischer Bodenparameter mit der visuellen Bewertung der Bodenstruktur (VESS) auf schleswig-holsteinischen Ackerflächen zur Entwicklung eines Beratungs-Tools (Posterbeitrag)
Fleige, H., Mordhorst, A., Horn, R., Uteau, D., Peth, S., Cordsen, E., Müller, G., Wiermann, C.: Anisotropie der gesättigten Wasserleitfähigkeit verschiedener Bodentypen Schleswig-Holsteins (Posterbeitrag)
Uteau, D., Ormeno, J., Wiermann, C., Cordsen, E., Müller, G., Fleige, H., Peth, S.: Ableitung bodenphysikalischer Parameter von Dauerbeobachtungsflächen in Schleswig-Holstein anhand dreidimensionaler bildanalytischer Verfahren. (Posterbeitrag)

DBG Halle 2023
Wiermann, C., Müller, G., Peth, S., Fleige, H., Mordhorst, A., Uteau, D., Cordsen, E.: Untersuchungen zur Funktionalität der Bodenstruktur von Ackerstandorten in Schleswig-Holstein (Vortrag)

Praxistage
Praxistag Boden am 29.05.2022
Gemeinsame Veranstaltung von Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes SH, Christian-Albrechts- Universität zu Kiel und Fachhochschule Kiel
Teilnehmer: ca. 60 Personen (Berater:in, Praktiker:in, Lehrkräfte, Verwaltung).

Vortrags- und Praxistag am 20.04.2023
Thema: Bodenstruktur: Erkennen – Beurteilen – Fördern
Teilnehmer: ca. 100 Personen (Praktiker:in, Berater:in, Wissenschafler:innen)
Praxistag Boden am 10.05.2023
Gemeinsame Veranstaltung von Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes SH, Christian-Albrechts- Universität zu Kiel und Fachhochschule Kiel
Teilnehmer: ca. 60 Personen (Berater:in, Praktiker:in, Verwaltung)

Veröffentlichungen in Vorbereitung
Entwicklung eines Verfahrens zur quantitativen Porenanalyse mikroskopischer Untersuchungen an Bodendünnschliffen.
Untersuchungen zum Bodenstrukturzustand repräsentativer Ackerstandorte in Schleswig-Holstein und deren Ertragswirkung
Röntgentomographische Untersuchung von Bodenstrukturparametern und deren Bedeutung für physikalische Bodenfunktionen am Beispiel von Dauerbeobachtungsflächen in Schleswig-Holstein


Fazit

Die vorgestellten Untersuchungen von 45 repräsentativen Ackerstandorten in Schleswig-Holstein haben weiterführende Erkenntnisse hinsichtlich des Struktur- bzw. Fruchtbarkeitszustandes dieser Böden ergeben. Es konnten eindeutige Anzeichen von Bodenschadverdichtugen besonders im Übergang von bearbeiteten zu unbearbeiteten Bodenhorizonten nachgewiesen werden. Besonders in Jahren mit extremen Witterungsverläufen werden teilweise enorme Ertragseinbußen verursacht, so dass weiterführende Maßnahmen zur bodenschonenden Bodenbewirtschaftung erforderlich sind, um zusätzliche Schäden zu vermeiden und Anpassungen der Bewirtschaftungssysteme an die Auswirkungen des Klimawandels (u.a. Wasserverfügbarkeit) zu ermöglichen.
Die Anwendung von quantitativen bildanalytischen Verfahren hat gezeigt, dass diese Methoden in Ergänzung zur bodenphysikalischen Grundanalytik wertvolle weiterführende Erkenntnisse über den Strukturzustand von Böden liefern können. Während mit der Mikroskopie neben der bildhaften Darstellung und dem „Blick ins Detail“ lediglich Kapazitätsgrößen berechnet werden können, bietet die Röntgentomographie über Konnektivitätsanalysen die Möglichkeit, die Funktionalität der Bodenstruktur zu untersuchen. Neben der quantitativen Analytik sind diese Verfahren geeignet, um „Struktur“ sichtbar zu machen und damit ein neues sowie ergänzendes Verständnis für diesen wichtigen Baustein der Bodenfruchtbarkeit zu generieren.
Für die zukünftige Weiterentwicklung bzw. Anpassung bestehender Feldmethoden zur Beurteilung des Strukturzustandes von Böden in Schleswig-Holstein/Norddeutschland müssen folgende Erkenntnisse aus der bisherigen Auswertung der Projektdaten berücksichtigt werden: a) Eine Differenzierung der Standorte über den Tongehalt (unter/über 12 % Ton) ist notwendig. b) Der Wassergehalt des Bodens zum Zeitpunkt der Beurteilung muss in die Beurteilung besonders der tonreichen Standorte einfließen. c) Die optischen Feldbeurteilungen sollten auf den untersuchten Flächen über einen längeren Zeitraum wiederholt werden, um den Bewirtschaftungseinfluss berücksichtigen zu können. d) Die Grundgesamtheit der Standorte, besonders derjenigen > 12 % Ton sollte erweitert werden. e) Das umfangreiche Bildmaterial sollte bei der Ausgestaltung des Beratungstools genutzt werden, um möglichst viele Strukturzustände für den Anwender zugänglich zu machen.