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Fortbildungskurs - Sächsische Interessengemeinschaft Ökologischer Landbau e.V. , 7. November 2013 I Jürgen K. Friedel

Böden in Gefahr!?

Jürgen K. Friedel

Institut für Ökologischen Landbau

Universität für Bodenkultur Wien

Fortbildungskurs - Sächsische Interessengemeinschaft Ökologischer Landbau e.V. , 7. November 2013 I Jürgen K. Friedel2

• Einleitung: Bodengesundheit und Bodenfruchtbarkeit

• Bodenfunktionen

- Produktionsfunktion

- Filter-, Puffer,- Transformationsfunktion- Lebensraum und Genreserve- Kulturfunktion- Infrastruktur- und Rohstofffunktion

• Gefährdungen- Versiegelung- Verdichtung und Erosion- Kontamination- Abnahme der organischen Substanz

• Bewirtschaftungseinfluss

Gliederung



• Bodenfunktionen





Gliederung


• Bodengesundheit: umfasst vor allem die ökologischen und biologischen Eigenschaften von Bodenqualität

• „Bodenqualität ist die Eignung eines bestimmten Bodens, innerhalb der natürlichen oder bewirtschafteten Grenzen des betreffenden Ökosystems, die Pflanzen- und Tierproduktion, die Qualität von Wasser und Luft sowie die Gesundheit von Mensch und Tier zu erhalten und zu fördern“ (KARLEN et al. 1997)

• Bodenfruchtbarkeit: Funktion des Bodens als Vermittler von Nährstoffen, Wasser und Luft für Pflanze und Edaphon (= Bodenleben) (OTTOW 2011, S. 421)

Bodengesundheit und Bodenfruchtbarkeit


Bodenentwicklung und standortgerechte Bewirtschaftungbeeinflussen Bodenfruchtbarkeit

Ottow 2011

Bodengesundheit und Bodenfruchtbarkeit


Bodenfruchtbarkeit: Merkmale

Zusammenwirken physikalischer, chemischer und biologischer Bodeneigenschaften

• Physikalische Eigenschaften:

optimale Bodentextur, Bodendichte, gute und stabile Bodenstruktur („Krümeltiefe“), hohe Aggregatstabilität, gute Durchwurzelbarkeit, möglichst hohe maximale Wasserkapazität

• Chemische Eigenschaften:

hoher Gehalt an organischer Substanz, hohe Kationenaustauschkapazität, Protonenpufferkapazität, hohe Konzentration an austauschbaren & mineralisierbaren Nährstoffen, ökophysiologisch günstiger pH-Wert

• Biologische Eigenschaften:

hohe mikrobielle Biomasse, breite genetische und funktionale Diversität, hohe Elastizität / Resilienz, rasches Regenerationsvermögen

(Ottow 2011, Herrick 2000)



• Bodenfunktionen





Gliederung


Nahrungsmittelproduktion weltweit

• Rund 1 Milliarde Menschen sind zumindest unterernährt, 850 Millionen hungern,Ackerflächen haben sich von 0,5 auf 0,35 ha pro Person verringert

• Versiegelung von Boden schreitet fort

• Klimawandel - Meeresspiegelanstieg bis 2100 um ca. 70 bis 100 cm erwartet

• 2005: 6,5 Mrd. Weltbevölkerung: 7 % leiden unter Wasserknappheit, 5 % unter Wassermangel

• 2025: Prognose: 7,9 Mrd. Weltbevölkerung: 26,5 % leiden unter Wasserknappheit, 10,5 % unter Wassermangelderzeit: Beregnungswasser = 70 % der anthropogen genutzten erneuerbaren Wasserressourcen

Produktionsfunktion


HANPP %: Prozentueller Anteil der Nutzung der Nettoprimärproduktion durch den Menschen

Produktionsfunktion


∆NPP LC: Landnutzungsbedingte Reduktionen der Nettoprimärproduktion in %

Haberl et al. 2007

Produktionsfunktion


Aktuelle versus potentielle Getreideerträge weltweit (Basis-Jahr 2000)

Fischer, Van Velthuizen 2011

Produktionsfunktion


Produktionsfunktion

• EU-Biokraftstoffrichtlinie: Beimischung von 5,75 % Biosprit seit 2010

• Biokraftstoffe

• Erste Generation: Ölpflanzen wie Raps, Soja, Sonnenblumen, Palmöl; Bioethanol

• Zweite Generation: BtL-Kraftstoffe (Biomass-to-Liquid): Holz, Stroh, Bioabfall, Tiermehl, Schilf

� Bioraffinerie: Kombination von Nahrungsmittelproduktion mit industrieller Nutzung der Biomasse„Drink the best and drive the rest“

� Fraktionierung der Biomasse in ihre Hauptbestandteile, die weiter genutzt werden, um optimal ausgewogene Produkte herzustellen

Der Bioenergie-Boom


Modellrechnung der Entwicklung der organischen Kohlenstoffgehalte in einer Schwarzerde im Marchfeld bei unterschiedlicher Strohabfuhr (Roth C 26.3, Rampazzo-Todorovic et al., JPNSS 2010)

Produktionsfunktion

Auch Biokraftstoffe der 2. Generation in Konkurrenz zu Nahrungsmittel-produktion!


„Peak Phosphorus“: Weltweite Rohphosphatförderung 1900-2009 US Geological Survey

Erschöpfung der Welt-P-Reserven wird erwartet in 50 – 100 Jahren; „Peak Phosphorus“wird erwartet für 2030

Produktionsfunktion


Produktionsfunktion –Herausforderungen der Zukunft

• Steigerung des durchschnittlichen Getreideertrages von 2,64 t/ha (2000*) auf mindestens 3,60 t/ha (2025) und 4,30 t/ha (2050), um für eine Weltbevölkerung von ca. 10 Mrd. im Jahr 2050 gerüstet zu sein.

• Gleichzeitige intensive Steigerung der erneuerbaren Energie und Rohstoffen aus Biomasse (Bioäthanol, Biodiesel, H2, chemische Rohstoffe?)

• Paradigmenwechsel auch in Europa: Halten/Erhöhen der Flächenproduktivität unter Einhaltung der Grundsätze der Nachhaltigkeit

*Lal (IUSS 2006)

Produktionsfunktion



• Bodenfunktionen





Gliederung


Einfluss von Bodenentwicklung und Landnutzung auf die Anreicherung von organischem Kohlenstoff in Auböden (Oberboden, 0-20 cm)

Zehetner et al., 2009

Filter- und Pufferfunktion


Einfluss von Bodenentwicklung und Landnutzung auf die Naphthalinadsorption

Lair et al., 2009


Naphthalinsorption folgt Anreicherung von organischem Kohlenstoff in Auböden (Oberboden, 0-20 cm)


Sorption von Zink an Ultuna-Böden mit unterschiedlichen Corg- und pH-Werten

Lair et al., 2006


Zinksorptionfolgt organischem Kohlenstoff


Management der organischen Bodensubstanz als

Schlüssel für die Rückhaltefähigkeit von Böden für

Schadstoffe!

Fazit:




• Bodenfunktionen





Gliederung


• Lebensraum– 25 t Lebewesen pro ha und 30 cm Oberboden

– Davon sind 50 % Bakterien und Strahlenpilze und 25 % Pilze (Massenprozent)

• Mikrobielle Aktivität als Basis höheren Lebens– N-Kreislauf

• Medizinische Bedeutung mikrobieller Stoffwechselprodukte– Antibiotika

Lebensraum- und Genreserve


Laser scanning-mikroskopischeAufnahme einer Weizenwurzel: blau: Bakteriengrün: aktive Bakterien

Aßmus, GSF, München

Bakterien in der Rhizosphäre

Aßmus, GSF, München

Orange Farbe: Orange Farbe: AzospirillumAzospirillum brasilensebrasilense,,

StickstoffStickstoff--bindendesbindendesBakterium auf Bakterium auf

Wurzelspitzen von WeizenWurzelspitzen von Weizen


Azospirillum verursacht eine Vermehrung von Wurzel-

haaren, was die Nährstoff-aufnahme verbessern kann

http://www.ucc.ie/impact/agri2f.html

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Kolonisierung von Weizenwurzeln mit Stämmen von Azospirillium, die als Wachstumsstimulatoren wirken

http://www.ucc.ie/impact/agri2f.html

Bakterien in der Rhizosphäre

Lebensraum und Genreserve


Nematoden (Fadenwürmer)

Brady & Weil 2002

Mund eines Bakterien-fressendenNematoden

Hoch spezialisierte Mundstrukturen

Nematode gefangen in Schleifen eines Nematoden-fressenden Pilzes

Lebensraum und Genreserve



• Bodenfunktionen





Gliederung


Gefährdung: Versiegelung

• Flächenverbrauch: Verlust biologisch produktiver Fläche

• Versiegelung: zusätzlich kann kein Wasser von der Oberfläche direkt in das Grundwasser gelangen

• Derzeitige Situation: Österreich: irreversibler Bodenverlust ~ 15 ha / Tag Versiegelung: 5 – 6 ha / Tag

Deutschland: 119 ha / Tag

Schweiz: 1 m² / Sekunde


Infrastrukturflächen: Anteil der Infrastruktur und des Siedlungsraumes in Prozent der Gesamtfläche(Erb et al. 2007)

Gefährdung: Versiegelung



• Bodenfunktionen





Gliederung


Bodendegradation in Europa

• 12 % der europäischen Böden sind durch Wassererosion bedroht; Bodenverlust etwa 13 t / ha / a

• Bildung von 1 m Boden benötigt 10.000 bis 200.000 Jahre

• 45 % der Böden haben sehr geringe organische Kohlenstoffgehalte, oft unter 2 % Corg

• 35 % der Böden haben eine verdichtete Struktur

�� 17 % der Böden in Europa sind als degradiert zu bezeichnen!(DNR 2011, Gunreben 2003, Königer / Schwab 2001, EEA 2000)

Gefährdung: Verdichtung und Erosion


http://www.zoonar.de/951926http://www.zoonar.de/951926

Bodenverdichtung


Spektrum der Wissenschaft, 2006, S.83

Bodenverdichtung


van der Ploeg et al. 2006


Harrod 1975 in Tivy 1993

Widerstand gegen ein Bodenpenetrometer bei unterschiedlichen Tiefen in einem Ackerboden; Zwei Verdichtungszonen sind erkennbar: eine Anbausohle (cultivationpan) und eine Pflugsohle

Bodenverdichtung


Einfluss der Bodendichte auf die Durchwurzelung

Bodenverdichtung


Umweltbundesamt 2010http://www.umwelt.nrw.de/ministerium/presse/presse_extra/pdf/broschuere_bodenv

erdichtung.pdf

Bodenverdichtung


Staunässe und Sauerstoffmangel durch Verdichtung!

Bodenverdichtung


Erwarteter Ertragsrückgang bei Überschreiten der substratspezifischen

Grenzen für die Lagerungsdichte (Petelkau, 1987)

Lagerungsdichte Ertragsdepression

Ertragsrückgang durch Verdichtung!

Produktionsfunktion von Böden

Bodenverdichtung


Gute Bodenstruktur, keine Verdichtung:

• gute Wasserspeicherfähigkeit

� Kein Wassermangel von Pflanzen, keine Überflutungen

• Widerstandsfähigkeit gegen Oberflächenabfluss und Erosion

� Kein Bodenverlust, keine Eutrophierung von Oberflächengewässern

• gute Filter- und Puffereigenschaften

� gute Grundwasserneubildung, Schutz der Grundwasserqualität

Filter- und Pufferfunktion von Böden

Bodenverdichtung


Beziehung zwischen der Lagerungsdichte

und der Infiltrationsrate für lehmig-sandige

Standorte

Frielinghaus et al., 1992 verändert

Infitration nimmt ab durch Verdichtung!

Bodenverdichtung


Beziehung zwischen Gesamtbodenabtrag und Lagerungsdichte auf

Beregnungsflächen

Gesamtbodenabtrag steigt durch Verdichtung!

STRAUSS und MURER 2001

Ges

amtb

oden

abtr

ag

Bodenverdichtung

Ges

amtb

oden

abtr

ag


Bodenerosion beim Zuckerrübenanbau


Bodenerosion


Montgomery 2010

Erosion


Abnehmende pro-Kopf-Getreideproduktion seit 1990 (Pimentel 2006)

Erosion


• Jedes Jahr gehen etwa 10 Millionen ha Ackerland durch Erosion

verloren.

• Boden geht von Landflächen etwa 10 bis 40 mal schneller verloren als er erneuert wird, was die Sicherheit der menschlichen Nahrungsmittel-versorgung gefährdet (Pimentel 2006)

Vertretbare Erosion = Bodenneubildung

ca. 0.1 mm / a = 1 t / ha / a

Erosion

Bodenverluste durch Erosion sind für

den Bewirtschafter unwiederbringlich!


Größenordnungen der von Wind und Wassererosion betroffenen Landflächen (in MioHektar), aufgegliedert nach Kontinenten

Oldeman 1994

Erosion


Wichtigste Folgen von Erosion:

- Verlust von fruchtbarem (feinkörnigen) Bodenmaterial - Verlust von Humus- Verlust von Nährstoffen- Verlust von Wasserspeicherfähigkeit- Verlust von Bodenstruktur- Verlust von Biomasse und Biodiversität in Böden

� Verlust von Produktivität

� Verlust von Filter- und Pufferfunktion

Erosion


Sand Schluff Ton Lehm Schluff: mehlig;

Lößböden

Anfällig:

Lößböden!

Erosion


Wirkung mehrjährig differenzierter Bodenbearbeitung auf den Oberflächenabfluss und den Bodenabtrag im Maisanbau (entlang der Höhenschichtlinien) nach 135 mm Niederschlag in 7 Stunden Diercks & Heitefuss 1990

Verfahren Hangneigung %

Abfluss in % vom

Niederschlag

Bodenabtrag t/ha

Lockerboden-wirtschaft

5,8 42 7,21

Festboden Mulch-wirtschaft

20,7 49 0,07

Erosion

Pflügen (= Lockerbodenwirtschaft) erhöht die Erosionsgefahr!

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Bodenerosion

Kalusche 1996

Bodenerosion durch Wasser an der Westküste der USA


Erosion

Relativer Bodenabtrag bei verschiedenen Kulturpflanzen

Kalusche 1996

Hohe Erosion bei Reihenkulturen und offenem Boden!


Bodenerosion (links) und Oberboden-Kohlenstoffgehalte in Frankreich (Jones et al. 2004)

Erosion


Erosion, Möglichkeiten der Verringerung

- Humusaufbau:Aggregatstabilität , Bodengare , Bodendichte , Durchwurzelung ,

Oberflächenabfluss

- Optimaler pH-Wert: nicht zu tief!physiko-chemische Stabilität der Aggregate!

-Bodenbedeckung:

Futterbau, Zwischenfrüchte, Untersaaten, Unkräuter

- Organische Düngung:

Stallmist, Kompost, Stroh, …

- Bodenschonende Bearbeitung:Fehler, Verdichtung, stauende Schichten vermeiden!

- Kleinparzellierte Schläge:

Hecken, Raine, …

Erosion



• Bodenfunktionen





Gliederung


• Eintrag organischer und anorganischer Schadstoffe

• Pestizide und Dünger

• Schwermetalle und Säuren

• Xenobiotika

• Punktuelle versus diffuse Einträge

• Versalzung von Böden

Kontamination


• Es befinden sich etwa 30000 – 100000 verschiedene chemische Substanzen auf dem europäischen Markt

• Ihr Verbleib ist zu einem guten Teil unbekannt

• 25 % der chemischen Produkte verbleiben beim Endverbraucher

Kontamination

Schadstoffverhalten in der Umwelt


Verteilung von persistenten organischen Schadstoffen in den Umweltkompartimenten(Modellierung für den Gleichgewichtszustand nach Crosby 1982)

Kontamination


Räumliche Verteilung der gesamten Mineralstickstoffdeposition in den frühen 1990er Jahren (Galloway et al. 2004)

Kontamination

mg / m2 Jahr

1000 mg /m2 Jahr =

10 kg /ha Jahr



• Bodenfunktionen





Gliederung


Vergleich der organischen Kohlenstoffinventare unter verschiedener Landnutzung in Deutschland

BGR, 2007

Abnahme der organischen Substanz


Sauerland, Tietjen, 1969

Verdichtung bei abnehmender organischer Substanz

Organische Substanz- Bodendichte


N2

N2O

Landwirtschaftlicher Stickstoffkreislauf und die hieran beteiligten N-Mengen(Angaben in kg/ha bzw. kg / ha / a) nach Sauerbeck (1985)

Organische Substanz

- Freisetzung von Nährstoffen


Organische Substanz- Nahrungsgrundlage von Bodenorganismen

Nahrungsnetzim Boden:

Prädation =Beweidung von Mikroorganismen

� erhöhter Stoffumsatz

� erhöhte Nähr-stofffreisetzung


Bodengare nach Sekera (1984): links: Mikroaggregate, Aggregierungdurch Ton-Humus-Komplexe; rechts: Makroaggregate, Aggregierungdurch Mikroorganismen und mikrobielle Rückstände

Organische Substanz- Aggregatbildung - Lebendverbauung


Aggregatbildung - Lebendverbauung

Organische Substanz


• “Viele Funktionen des Humus beruhen auf seinem ständigen Umsatzund den hierbei entstehenden kurzlebigen Umsetzungsprodukten”

• Zur Aufrechterhaltung der Humusdynamik ständige Zufuhr organischerSubstanzen nötig!

• Unzureichende Zufuhr bedeutet Abnahme und Erschöpfung derumsatzaktiven Fraktion

(Sauerbeck 1992, verändert)

Organische Substanz

- Humusdynamik

Der Umsatz von organischer Substanz und akkumulierte Reste sind die Basis der Förderung von Bodenleben und Nährstofffreisetzung


physikalisch - Verbesserung der Bodenstruktur und Aggregatstabilität � Lebendverbauung

- Verringerung der Lagerungsdichte- Erhöhung der Infiltration & Wasserhaltekapazität- Verbesserung der Durchlüftung- Erhöhung der Bodentemperatur- Erhöhung der Filterkapazität

chemisch - Verbesserung der Nährstoffspeicherung & Pufferfunktion: Kationenaustauschkapazität

- Freisetzung von Nährstoffen (N, P und S)- Mobilisierung von Nährstoffen aus anorganischen Reserven

(Säurebildung, mikrobielle Aktivität)- Immobilisierung von toxischen Substanzen (z.B. Cu in Anmoorböden)

biochemisch - Lebensraum & - Nahrungsgrundlage für Bodenorganismen- Fördernde Effekte auf Pflanzen bei suboptimalen Wachstums-

bedingungen durch Wirkstoffe (z.B. Wuchsstoffe, Vitamine)

Organische Substanz



• Verlust von gespeichertem Kohlenstoff und Nährstoffen

• Höhere Verdichtungs-, Verschlämmungs-, Erosionsanfälligkeit

• Bodenfruchtbarkeitsverlust

• Geringere mikrobielle Aktivität und Biodiversität

• Geringere Wasserhaltefähigkeit

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Höhere organische Substanzgehalte in kälteren Regionen

Organische Kohlenstoffgehalte (%) in Oberböden Europas (Jones et al. 2004)



Klimawandel

• Veränderung der organischen Substanzgehalte

• Veränderung des Bodenwasserhaushalts

• Veränderung der Biodiversität

• Veränderung der Schadstoffrückhaltung




• Bodenfunktionen





Gliederung


Bewirtschaftungseinfluss

Fruchtfolgen im Vergleich

Jahr konventionell integriert biologisch

1 Winterweizen Winterweizen Rotklee

Senf Phacelia, Senf

2 Wintergerste Wintergerste Winterweizen

Senf, Phacelia Senf, Phacelia, Sommerwicke

3 Winterraps Erbsen KartoffelnAusfallerbsen

4 Winterweizen ErbsenWinterrübsen Ausfallerbsen

5 Sommergerste Winterroggen

Weissklee-Untersaat

6 Getreide


Merkmale der Fruchtfolgen unterschiedlicher Produktions-systeme im Vergleich (Kämpf 1980, ergänzt)

ZR: Zuckerrüben; WW: Winterweizen; WG: Wintergerste; ZF: Zwischenfrucht; SG: Sommergerste; SM: Silomais; KG: Kleegras; KAR: Kartoffel; SW: Sommerweizen; US: Untersaat; AB: Ackerbohne

Produktions-system

Fruchtfolgemerkmale und begleitende Maßnahmen Beispiel

Konventio-nell

Geringe Anzahl an KulturenTeilweise mehrfacher Anbau einer Kultur hintereinanderHumusförderung primär über die Zufuhr von MineraldüngernPflanzenschutz und Unkrautbekämpfung über chemischen Pflanzenschutz

ZR – WW – WG oder freie (keine) Fruchtfolge

Integriert /Nachhaltig

Zunehmende Anzahl an KulturenWeitgehend Einhaltung eines FruchtwechselsHumusförderung auch über Zwischenfruchtanbau – in der Regel Gründüngung, organische Düngung

ZR – WW (ZF) –SG (ZF) – SM –WG (ZF)

Ökologisch Hohe KulturartenvielfaltStrenge Einhaltung von FruchtfolgeregelnHumusförderung über Kleegrasanbau, Zwischenfrüchte und aufbereiteten Stallmist

KG – KG – KAR (ZF) – SW (US) –WR (US) – AB –WW (US) – SG (US)



Fruchtfolgen im ökologischen Landbau:

• „Kernstück“ im Ackerbau

• Ziel: - möglichst vielseitige Fruchtfolgegestaltung mit genügend großen Zeitabständen zwischen den Kulturen

- ansonsten Ertragseinbußen wegen Verzicht auf Pflanzenschutz-mitteleinsatz

• wichtigste Früchte: Luftstickstoff-bindende Leguminosen, insbesondere Futterleguminosen: Kleearten, Luzerne

(Spiess 1996; Freyer & Hartnagel 1994)



Durchschnittliche Wurzelmengen der wichtigstenFruchtarten-Gruppen (Könnecke 1966: 23)

Fruchtartengruppe Trockenmasse dt/ha TrockenmasserelativGetreide

(einschl. Stoppeln) 24 100

Hackfrüchte 6 25

Luzerne 80 333

Kleearten 40-50 167-208

Kleegras, Feldgras 60 250

Höchste Wurzelrückstände bei Futterleguminosen und Futterbau

Bewirtschaftungseinfluss- Kulturartenwahl, Fruchtfolge


Fruchtfolge bestimmt die Futtermenge und den Anfall organischer Dünger

Futterleguminosen, Futterbau und Gründüngungen

beeinflussen maßgeblich direkt (eiweißreiche Wurzelrückstände, Wurzelausscheidungen)

und indirekt (einweißreiche, organische Dünger)

- Humusauf- oder –abbau

- Aktivität des Bodenlebens

- Stabilität der Bodenstruktur

Bewirtschaftungseinfluss- Kulturartenwahl, Fruchtfolge


Humusmehrer, Futterbau, Kleegras, Luzerne

organisch Düngung Bei Verdacht auf Nährstoffmängel: Pflanzengehalte kontrollieren, ev. Düngefenster anlegen,kalken

richtig machen, keine Verdichtungen!

4. Wechselwirkungen von Maßnahmen:ein Ziel kann mit mehreren Maßnahmen erreicht werden, eine Maßnahme hat mehrere Auswirkungen

Optimalen pH-Bereich sicherstellen

Bodenleben anregen, Symbiosen fördern

Nährstoffversorgung sichern

Humusgehalte stabilisieren und

anheben

1. Fruchtfolge:

2. Düngung:

3. Bodenbearbeitung:

Bewirtschaftungseinfluss- Förderungsmöglichkeiten


Böden in Gefahr!?

Jürgen K. Friedel

Institut für Ökologischen Landbau

Universität für Bodenkultur Wien

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