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Doctoral Thesis

Erhaltung der Ertragsfähigkeit des Bodens auf lange Sicht unterdem Einfluss von Fruchtfolge, Düngung und HerbizideinsatzIII. Vergleich verschiedener humuschemischer undbodenbiologischer Parameter sowie Beeinflussung vonQualitätsmerkmalen der Vergleichskultur Winterweizen nachzehn Versuchsjahren

Author(s): Weisskopf, Peter

Publication Date: 1986

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000409920

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ETH Library

Diss. ETH Nr. 8019

Erhaltung der Ertragsfähigkeit des Bodens auf lange Sicht

unter dem Einfluss von Fruchtfolge, Düngung und Herbizideinsatz

III Vergleich verschiedener humuschemischer und bodenbiologischerParameter sowie Beeinflussung von Qualitätsmerkmalen der

Vergleichskultur Winterweizen nach zehn Versuchsjahren

ABHANDLUNG

zur Erlangung des Titels eines Doktors der Technischen Wissenschaften

der

EIDGENOESSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZUERICH

Vorgelegt von

PETER WEISSKOPF

Dipl. Ing.-Agr. ETH

geboren am 15. Februar 1957

von Pratteln (BL)

Angenommen auf Antrag von:

Prof. Dr. E.R. Keller, Referent

Dr. W. Jäggi, Korreferent

Dr. F. Schwendimann, Korreferent

1986

238

5. ZUSAMMENFASSUNG

Ausgelöst durch marktwirtschaftliche, agrarpolitische und soziale

Rahmenbedingungen haben sich in der schweizerischen Landwirtscheft während

der letzten 30 Jahre beträchtliche Strukturveränderungen vollzogen. Als

Folge davon versuchten die Landwirte, ihre Produktion unter Zuhilfenahme

der sich in diesem Zeitraum rasch entwickelnden landwirtschaftlichen

Produktionstechnik zu rationalisieren, zu intensivieren und zu speziali¬

sieren. Diese Entwicklung Hess den Verbrauch von landwirtschaftlichen

Hilfsstoffen und den Einsatz von Maschinen und Geräten in zuvor nie

gekanntem Ausmass ansteigen.

Die rasante Veränderung der landwirtschaftlichen Produktionsweise

Hess die Frage auftauchen, ob durch die neuen Anbaumethoden die Erhaltung

der Ertragsfähigkeit des Bodens auf lange Sicht als Grundlage des land¬

wirtschaftlichen Pflanzenbaues gewährleistet sei. Um dieser Frage nach¬

zugehen, wurde vom Institut für Pflanzenbau der ETH 1973 ein langfristig

konzipierter Feldversuch angelegt, in dem folgende Hauptversuchsfaktoren

geprüft werden:

- Drei Fruchtfolgetypen mit unterschiedlichen Kulturen und Kulturanteilen

(Praxisüblich: 40 % Kunstwiese; Getreidebetont: 60 % Getreide; Maisbetont:

60 % Mais);

- Zwei Düngungsvarianten (rein mineralisch; organisch-mineralisch);

- Drei Herbizidvarianten (Kontakt-/Wuchsstoffherbizide in empfohlener

Dosierung; Bodenherbizide in empfohlener Dosierung, Bodenherbizide in

doppelter empfohlener Dosierung).

Um bei den Bodenherbiziden die Auswirkungen von zwei verschiedenen Wirk¬

stoffklassen prüfen zu können, wird der Versuch in zwei Teilversuchen

geführt (Harnstoffteilversuch, Triazinteilversuch).

Die Ertragsfähigkeit des Bodens wird beschrieben, indem eine Vielzahl

mit ihr in Zusammenhang stehender Parameter gemessen wird (Bodenphysik

und -chemie; Humuschemie; Bodenmikrobiologie: C02-Abgabe, Dehydroge¬

nasen-Aktivität, aktive mikrobielle Biomasse, N-Mineralisierung; Boden¬

fauna: Nematoden, Collembolen, Milben, Regenwürmer; Ertrag und Qualität

der Kulturpflanze).

239

In einer ersten Phase wurde die Ausgangslage zu Beginn des Feldversuches

1973 untersucht (Srzednicki et al., 1978). Fünf Jahre später, im ersten

Stichjahr 1978, zog Maillard (1981) nach Beendigung der ersten Rotation

eine erste Bilanz. Die vorliegende Arbeit tut dies zusammen mit derjenigen

von Sturny (1986) nach zehnjähriger Versuchsdauer und zwei abgeschlossenen

Rotationen. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden Untersuchungen der

Humuschemie, des Bodenlebens und der Qualität der Kulturpflanze.

Nach zehn Versuchs jähren sind folgende Beobachtungen gemacht worden:

Hauptfaktor Fruchtfolge: Von allen drei Hauptfaktoren beeinflusste die

Gestaltung der Fruchtfolge nicht nur bereits nach fünf, sondern auch

nach zehn Versuchsjähren die grösste Zahl von Parametern der Ertrags¬

fähigkeit. Neben bodenmikrobiologischen Kennwerten (C02-Abgabe, aktive

mikrobielle Biomasse, N-Mineralisierung) und den Regenwurmpopulationen

reagierten v.a. die Nematodenpopulationen sehr verschieden auf die drei

Fruchtfolgetypen. Mit Ausnahme der Milbenpopulationen traten jeweils die

grössten Anzahlen bzw. Aktivitäten bei praxisüblicher Fruchtfolge auf,

was v.a. auf die günstige Wirkung der zweijährigen Kunstwiese zurückge¬

führt werden kann. Die fast durchwegs grösseren Anzahlen und Aktivitäten

bei praxisüblicher Fruchtfolgegestaltung lassen zwar auf günstige Folgen

des aktiveren Bodenlebens für die Böden dieses Fruchtfolgetyps schliessen,

bei den Nematoden haben aber auch die ektoparasitischen Tiere stark von

der günstigen Umwelt profitiert, so dass hier mit grosser Wahrscheinlich¬

keit auch ein höheres Schadenspotential vorhanden ist. Die geringsten

Aktivitäten des Bodenlebens wurden in diesem Versuch meist bei maisbeton¬

ter Fruchtfolge beobachtet.

Hauptfaktor Düngung: Die Wahl des Düngungsverfahrens führte bereits nach

fünf Versuchsjahren zu deutlichen Differenzierungen bei bodenmikrobiolo¬

gischen Kennwerten (C02-Abgabe, Dehydrogenasen-Aktivität, N-Mineralisie¬

rung), die weitere fünf Jahre später in verstärktem Ausmass erneut auf¬

traten. Eindeutig machte sich der fördernde Einfluss organisch-minerali¬

scher Düngung auf die Bodenmikroflora bemerkbar. Nach zehn Versuchsjahren

konnten sowohl bei den humuschemischen Parametern als auch bei den Nema¬

todenpopulationen deutliche düngungsbedingte Differenzen erkannt werden.

In beiden Fällen hatte auch hier die organisch-mineralische Variante die

günstigeren Folgen: Sie führte sowohl zu einer Erhöhung des Humusgehaltes

240

der Böden als auch selektiv zur Förderung saprophytischer und zur Hemmung

pflanzenparasitischer Nematoden. Die Arthropodengruppen der Collembolen

und der Milben zeigten keine deutlichen Abhängigkeiten von der Art der

Düngung.

Hauptfaktor Herbizideinsatz: Während dieser Hauptfaktor nach fünf Ver¬

suchsjahren nur einige bodenmikrobiologische Parameter in verschiedenem

Ausmass betroffen hatte und deshalb insgesamt die geringsten Differen¬

zierungstendenzen zeigte (selbst bei konsequent überhöhten Aufwandmengen),

führte er fünf Jahre später, im zweiten Stichjähr 1983, zu einer wesent¬

lich grösseren Zahl von unterschiedlich beeinflussten Parametern, v.a.

im Triazinteilversuch. Die bei den Collembolen und den Nematoden besonders

deutlich negativen Folgen des überhöhten Bodenherbizideinsatzes waren

dabei aber vermutlich indirekt auf die in diesen Verfahren durch einen

Applikationsfehler hervorgerufenen starken Phytotox-Erscheinungen bei

den Kulturpflanzen zurückzuführen. Die 1978 bereits erkannten unter¬

schiedlichen Auswirkungen des Herbizideinsatzes auf bodenmikrobiologische

Parameter wiederholten sich mit noch stärkerer Ausprägung der Differenzen.

In der maisbetonten Fruchtfolge schliesslich hatte wohl die sehr gute

herbizide Wirkung der Triazinderivate zur Folge, dass der Humusgehalt

dieser Verfahren gegenüber jenen mit Einsatz von Kontakt-/Wuchsstoffher-

biziden zurückging. Die Diskussion der Qualitätsparameter der Kultur¬

pflanze verlangt wegen der speziellen Versuchsumstände eine differenzierte

Betrachtung der aufgetretenen Unterschiede; der Ertrag und der Ertrags¬

aufbau der Kulturpflanze werden in der Arbeit von Sturny (1986) analy¬

siert.

In der Entwicklung der verfahrensbedingten Unterschiede bei den einzel¬

nen Parametern nach fünf bzw. zehn Versuchsjähren zeigten sich keine

widersprüchlichen Ergebnisse (die unterschiedliche Entwicklung der Mil¬

benpopulationen dürfte eine Anpassungserscheinung an die infolge des

Phytotox-Effektes z.T. stark veränderten Umweltbedingungen sein). An¬

scheinend führte der konsequente Einsatz der Versuchsfaktoren zu einer

zunehmenden Differenzierung der Versuchsparameter, wobei die Gruppe

der bodenmikrobiologischen Parameter rasch und deutlich versuchsfaktor-

bedingte Unterschiede aufzeigte, während bei den humuschemischen Parame¬

tern erst nach zehn Versuchsjahren vereinzelte Differenzierungen nachzu¬

weisen waren.

241

RESUME

Les directives et les contraintes de l'economie du marche, de la poli-

tique agraire et de l'evolution de la societe ont provoque d'importants

changements structurels dans 1'agriculture suisse, dans les trente der-

nieres annees. Suite ä cela, les paysans ont cherche a rationaliser, a

intensifier et a specialiser leur production ä l'aide de techniques de

production agricole qui, elles aussi, ont tres rapidement evolue dans ce

meme temps. Ce developpement a amene une augmentation de 1'utilisation

de matieres auxiliaires agricoles et de l'emploi de machines et autres

instruments, d'une ampleur inconnue jusque la.

Le changement tres rapide de la facon de produire en agriculture a

fait surgir la question de savoir, si ces nouvelles methodes de culture

assuraient la conservation de la production du sol, celle-ci etant, ä

long terme, la base de la production agricole. Pour etudier cette ques¬

tion, un essai ä long terme a ete etabli ä 1'Institut de Production

Vegetale de l'EPFZ en 1973, dans lequel il s'agit de tester les principaux

facteurs d'essai suivants:

- Trois types d'assolement avec differentes cultures en differentes

proportions (usuel: 40 % de prairies artificielles; cerealier: 60 % de

cereales; riche en mais: 60 % de mais);

- Deux variantes de fumure (purement minerale; organo-minerale);

- Trois variantes d'herbicides (herbicides de contact/herbicides ä base

d'hormone aux doses conseillees; herbicides residuaires aux doses con¬

seillees; herbicides residuaires ä dose double des doses conseillees).

Pour pouvoir examiner, dans les traitements avec herbicides residuaires,

les effets de deux classes differentes de matiere active, on a partage

1'essai en deux parties (partie d'essai "urees", partie d'essai "tria-

zines").

La description de la productivite du sol decoule des mesures de toutes

une serie de parametres (physique et chimie du sol; chimie de l'humus;

microbiologie du sol: degagement de C02, activite des dehydrogenases,

biomasse microbienne active, mineralisation de l'azote; faune du sol:

nematodes, collemboles, acariens, vers de terre; rendement et qualite des

plantes cultivees).

242

Dans un premier temps, il s'agissait d'evaluer la Situation de depart,

au debut de l'essai en plein champ, en 197.3 (Srzednicki et al., 1978).

Cinq ans plus tard, en 1978, premiere annee d'echantillonnage, Maillard

(1981) a tire un premier bilan ä la fin de la premiere rotation. Ce

travail-ci presente, avec celui de Sturny (1986), un deuxieme bilan,

apres dix ans d'essai et deux rotations completes. Les points capitaux

en sont les suivants: etude de la chimie de l'humus, etude de la vie du

sol et etude de la qualite des plantes cultivees.

Apres dix ans d'essai, on a observe les faits suivants:

Facteur principal assolement: Des trois facteurs principaux, c'est la

forme de l'assolemant qui influence le plus grand nombre des parametres

de la productivite, ceci non seulement dejä apres cinq ans, mais egalement

apres dix ans d'essai. Outre des parametres de la microbiologie du sol

(degagement de C02, biomasse microbienne active, mineralisation de l'azo-

te) et les populations de vers de terre, ce sont, avant tout, les popu-

lations de nematodes qui montrerent des reactions tres differentes selon

le type d'assolement. Les populations d'acariens mises ä part, on con¬

state, ä chaque fois, les plus grands nombres et les plus grandes activi¬

tes dans l'assolement usuel, ce qui peut s'expliquer surtout par l'effet

favorable des deux ans de prairies artificielles. Les plus grands nombres

et les plus grandes activites que l'on constate presque partout avec les

formes d'assolement usuel permettent sans doute d'y voir une influence

profitable de la vie du sol plus active dans les sols de ce type d'assole¬

ment; neanmoins, parmi les nematodes, les ectoparasites ont egalement

fortement profite de cet environnement favorable, de Sorte que, ici, le

potentiel de degats est tres vraisemblablement plus grand. Dans cet

essai, c'est l'assolement riche en mais qui a revele les plus faibles

activites de la vie du sol.

Facteur principal fumure: Le choix des traitements de fumure a amene,

apres cinq ans dejä, des differences nettes dans les parametres de la

microbiologie du sol (degagement de C02, activite des dehydrogenases,

mineralisation de l'azote), differences qui ressortirent cinq ans plus

tard encore plus fortement. L'influence favorable de la fumure organo-mi-

nerale sur la microflore du sol est particulierement claire. Apres dix ans

d'essai, on a pu constater des differences nettes selon le type de fumure

243

aussi bien pour les parametres de la chimie de l'humus que dans les

populations de nematodes. Dans les deux cas, ici egalement, la Variante

organo-minerale a donne de meilleurs resultats. Elle amena aussi bien

une augmentation de la teneur en humus du sol que, egalement, de maniere

selective, un encouragement des nematodes saprophytes et une limitation

des nematodes parasites des vegetaux. Les groupes d'arthropodes des

collemboles et acariens n'ont montre aucune dependance nette du type de

fumure.

Facteur principal herbicide: Alors que ce facteur principal n'avait

influence, apres cinq ans d'essai, que quelques parametres de la micro¬

biologie du sol ä des taux varies et ainsi revelait les plus petites

tendances ä une differentiation (meme avec les doses bien augmentees),

il a influence cinq ans plus tard, en 1983, deuxieme annee d'echantillon¬

nage, un nombre considerablement plus grand de parametres, avant tout

dans la partie d'essai "triazines". Les consequences particulierement

negatives d'un emploi accentue d'herbicide pour les collemboles et les

nematodes sont en fait probablement amenees indirectement par les effets

de phytotoxicite observes dans les cultures, ceci du ä une erreur d'appli-

cation dans ces traitements. Les effets differents, dejä reconnus en 1978,

de 1'emploi d'herbicides sur les parametres de la microbiologie du sol

se sont repetes ici, avec une forte accentuation des differences. Dans

l'assolement riche en mais, finalement, la tres bonne action herbicide

des derives des triazines a eu pour effet une diminution de la teneur en

humus dans ce traitement par rapport aux traitements avec des herbicides

de contact/herbicides ä base d'hormones. La discussion des parametres de

qualite des cultures demande une Observation detaillee des differences

effectives, vu les conditions speciales des essais; le rendement et la

formation du rendement des plantes cultivees sont analyses dans le travail

de Sturny (1986).

L'evolution des differences observees ä la suite des traitements apres

cinq respectivement dix ans d'essai ne revelerent aucun resultat contra-

dictoire, quelque soit le parametre considere (l'evolution differente

des populations d'acariens a pu etre un effet d'accomodation ä un envi-

ronnement fortement change par des marques de phytotoxicite). Apparemment,

1'application consequente des facteurs d'essai a permis une differentia¬

tion croissante des parametres de 1'essai; le groupe des parametres de la

244

microbiologie du sol a, rapidement et clairement, amene des differences

en reponse aux facteurs de 1'essai, alors que les parametres de la chimie

de 1'humus n'ont revele des differentiations sporadiques qu'apres dix

ans d'essai.

(Traduit par Mme D. Hofer-Müller)

245

SUMMARY

Due to changes in marketing and agricultural policies as well as in

the social environment, significant structural changes have taken place

in Swiss agriculture during the last 30 years. As a result, farmers

aimed at rationalizing, intensifying and specializing their production

with the help of new and, at this time rapidly developing, agricultural

production techniques. This development led to the utilization of agri¬

cultural resources as well as of machines and equipment to an extent not

known previously.

This rapid change in agricultural production techniques led to the

consideration of whether the new cultivation methods would ensure the

long term conservation of soil fertility as the basis of agricultural

cultivation. In order to answer this question, the Department of Crop

Science of the Swiss Federal Institute of Technology began a long term

field trial in 1973 with the following main experimental factors:

- three types of crop rotations with different crops in varying percen-

tages (practice oriented: 40 % seeded pasture; cereal dominated: 60 %

cereals; maize dominated: 60 % maize);

- two fertilization treatments (purely mineral, organic-mineral);

- three herbicide treatments (contact herbicides/phytohormones according

to the recommended dosage; soil herbicides according to the recommended

dosage; soil herbicides at twice the recommended dosage).

To test the effects of two different classes of soil herbicides, the

experiment was divided into two part-trials (urea and triazine-deriva-

tives part-trials).

The soil fertility was characterized by measuring a number of related

Parameters (soil physics and chemistry; humus chemistry; soil microbio-

logy: C02-evolution, dehydrogenase activity, active microbial biomass;

N-mineralization; soil fauna: nematodes, collembolas, acari, earthworms;

yield and quality of the test crop).

The first phase of the trial was devoted to an investigation of the

initial Situation in 1973 (Srzednicki et al., 1978). Five years later,

Maillard (1981) discussed the results when the first crop rotation had

come to an end. The present work as well as that of Sturny (1986) are

246

based upon these results at the end of a 10 year experimental period and

the completion of two crop rotations. The main objective of the present

study was to investigate humus chemistry, soil biology and the quality

of the test crop.

The following conclusions were drawn at the end of the 10 year experi¬

mental period:

Main experimental factor crop rotation: Of the three main factors in

this experiment, crop rotation had influenced the greatest number of

Parameters related to soil fertility already at the end of the first 5

years and also at the end of the 10 year experimental period. Soil micro-

biological values (C02-evolution, active microbial biomass, N-minerali-

zation), the earthworm population and the nematode populations reacted

very differently to the three types of crop rotation. With the exception

of the mite populations, the greatest numbers respectively activities

were observed in the practice oriented crop rotation during which espe-

cially the two year seeded pasture had a positive influence on the soil

organisms. The normally higher numbers and greater activities in the

practice oriented crop rotation lead to the conclusion that the more

active soil organisms had positive effects on the soil in this rotation.

On the other hand, this environment was also beneficial to the ectopara-

sitic nematodes which probably indicates a higher potential damage to

the plants. In this field trial, soil organisms were least active in the

maize dominated crop rotation.

Main experimental factor fertilization: The fertilization treatments led

to clear differences in soil microbial values (C02-evolution, dehydroge-

nase activity, N-mineralization) already at the end of the first five

year experimental period. These differences were even greater at the end

of the second five year period. Organic-mineral fertilization had a

clearly positive effect on soil microorganisms. After the first 10 years

of the experiment, the two fertilization treatments had observable effects

on the humus chemical parameters and on the nematode populations and here

too the organic-mineral treatment had the more positive influence. This

treatment led to an increase in the humus content of the soil as well as

247

selectively to an increase in the saprophytic nematodes and a suppression

of plant parasitic nematodes. The arthropod groups of collembolas and

mites were not observably affected by the type of fertilization.

Main experimental factor herbicides: The herbicides had varying effects

on only a few of the soil microbiological parameters at the end of the

first five years and therefore showed the least tendency to differentia-

tion (even when the dosages were consistently increased). After the

second experimental period in 1983, however, a greater number of para¬

meters had been affected to varying extents by the herbicide treatments,

especially in the triazine part-trial. The increase in dosages of the

soil herbicides had clearly negative effects on the collembolas and on the

nematodes. These effects, however, were probably indirectly related to a

mistake in the application procedure which brought about strong phytotoxic

Symptoms in the cultivated plants. The varying effects of the herbicides

on the microbiological parameters found in 1978 were observed to an even

greater extent in 1983. In the maize dominated crop rotation, the positive

herbicidal effect of the triazine derivatives resulted in a reduction

of the humus content as compared to the contact herbicides/phytohormones.

The discussion of quality parameters of the test crop requires a differ-

entiated consideration of the observed differences due to the Singular

experimental conditions; yield and yield components are discussed by

Sturny (1986).

The development of the treatment-related differences in the individual

Parameters were consistent at the end of both five year experimental

periods in 1978 and 1983 (the varying development of the mite populations

is probably the result of an adaption, in certain experimental treat¬

ments, to the greatly altered environmental conditions caused by the

phytotoxic effects). The consistent application of the experimental

factors led apparently to an increasing differentiation in the parameters,

whereby the soil microbiological parameters showed rapid and clear fac-

tor-related differences. On the other hand, sporadic differences in

the humus chemical parameters were only observable at the end of the 10

year experimental period.

(Translated by Mrs. M. Schönberg)