Humboldt-Universität zu Berlin - Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doctor rerum agriculturarum (Dr. rer. agr.) an der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin

Dipl.-Ing. agr. Stefanie Krück

Datum der Promotion: 11. 11. 1999

ISBN 3-8265-4670-9
Shaker Verlag

Mit den Untersuchungen wurde das Ziel verfolgt, Kenntnisse über den Einfluss verschiedener Fruchtfolge- und Bodenbearbeitungssysteme auf die Bodenfruchtbarkeitsparameter Humushaushalt, Regenwurmaktivität und Aggregatstabilität sandiger Böden zu gewinnen und diese quantitativ einzuschätzen. Weiterhin ist die Ertrags- und Qualitätsbildung von Kulturpflanzen mit und ohne mineralische N-Düngung betrachtet und die Beziehung zwischen Bodenfruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit bewertet worden. Mit den drei Untersuchungsstandorten, dem Feldversuch "Bodennutzungssysteme" der pflanzenbaulichen Versuchsstation in Blumberg und der jeweils einer Fläche der Landwirtschaftsbetriebe Landwirtschafts-GmbH & Co KG Brodowin und Thaerhof Möglin Agrar-GmbH, war es möglich, differenzierte Bewirtschaftung und unterschiedliche Standortbedingungen zu berücksichtigen. Im Feldversuch "Bodennutzungssysteme" sind die Untersuchungen in vier Fruchtfolgen (Getreidefruchtfolgen mit unterschiedlichen Blattfrüchten: Kleegras zur Brachebegrünung, zweijähriges Kleegras zur Futternutzung, Silomais, Kartoffeln) und zwei Bodenbearbeitungssystemen (konventionelle Bodenbearbeitung mit dem Pflug, konservierende Bodenbearbeitung mit dem Grubber) durchgeführt worden.
Verschiedene Bodennutzungssysteme führten zu deutlich differenzierten C_org-, C_ums und N_t-Gehalten, aber nur zu einer geringen Differenzierung im C_hwl-Gehalt. Neben der quantitativen Veränderung im Humushaushalt deuteten sich anhand der Huminstoffe qualitative Unterschiede an. Die Veränderung im Humushaushalt war fruchtfolgebedingt von der menge an zugeführter organischer Primärsubstanz und in geringerem Maße bodenbearbeitungsbedingt durch die unterschiedliche Schichtung im Boden gekennzeichnet. Die heterogenen Bodenbedingungen der Untersuchungsstandorte führten zu größeren Differenzen im Humushaushalt als die durch Bewirtschaftungsmaßnahmen bewirkten.
Bei den Regenwurmpopulationen waren Unterschiede zwischen den Standorten im Artenspektrum zu finden, die sowohl durch die Bewirtschaftung als auch durch die heterogenen Bodenbedingungen zu erklären sind. Der Regenwurmbesatz konnte in erster Linie durch die Fruchtfolgen beeinflusst werden. Eine Reduzierung der Bodenbearbeitungsintensität wirkte sich besonders in Fruchtfolgen mit größeren Mengen an Ernte- und Wurzelrückständen günstig aus. Als primär limitierend für die Regenwurmaktivität ist auf diesen Standorten die Nahrungsgrundlage anzusehen. Bodenunterschiede führten zu Differenzen im Regenwurmbesatz, welche in ihrer Größenordnung mit Bewirtschaftungsunterschieden vergleichbar waren.
Mit einem höheren Humusgehalt und einer größeren biologischen Aktivität war eine Strukturverbesserung auf den sandigen Böden verbunden. Der Anteil wasserstabiler Aggregate wurde auch durch die Bodenbearbeitung deutlich beeinflusst mit höheren Werten nach flach-lockernder gegenüber konventioneller Bearbeitung mit dem Pflug.
Zur quantitativen Bewertung bewirtschaftungsbeeinflusster Bodenfruchtbarkeitsparameter diente der Vergleich ackerbaulicher Nutzung ("Ist-Werte") mit den Werten einer Referenzfläche, wozu eine langjährige Dauergrünbrache genutzt wurde ("Soll-Werte") als potenziell mögliches Niveau).
Gegenüber Dauergrünbrache ist das Bodenfruchtbarkeitsniveau unter Ackernutzung bezüglich aller Parameter vermindert. Besonders deutlich zeichnete der Regenwurmbesatz. Durch entsprechende Bewirtschaftungsmaßnahmen ist eine Annäherung an die "Soll-Werte" möglich. In einer Getreidefruchtfolge wirkte sich die einjährige Bodenruhe unter Grünbrache, in der hohe Mengen an organischer Substanz dem Boden zugeführt wurden, am günstigsten aus. Mit dem Vergleich mittlerer Relativwerte der Bodenfruchtbarkeitsparameter konnten für diese in einer ersten Annäherung Größenordnungen für verschiedene Bewirtschaftungssysteme angegeben werden. Eine Einschätzung über den Einfluss verschiedener Bodennutzungssysteme auf die Bodenfruchtbarkeit war hierdurch für den Standort Blumberg möglich.
Neben der Bewirtschaftung sind Bodenunterschiede für die Ausprägung der Bodenfruchtbarkeit maßgebend. Die zunehmende Bodengüte der Standorte Blumberg, Möglin und Brodowin ist in einer Zunahme im Humushaushalt und in der Regenwurmaktivität zu erkennen. Dieser Zusammenhang war aber auch innerhalb der heterogenen Flächen der Landwirtschaftsbetriebe zu finden, wobei die Textur, Parameter des Humushaushalts sowie des Regenwurmbesatzes zu Gruppen unterschiedlicher Ausprägung zusammengefasst werden konnten. Eine Einschätzung der Bodenfruchtbarkeitsparameter war deshalb nur beschreibend mit "günstig" oder "ungünstig" möglich.
Pflanzenentwicklung und Ertrag waren in ersten Linie von der mineralischen N-Düngung geprägt. Ist auf eine mineralische N-Düngung verzichtet worden, so zeigte sich eine deutliche Beziehung zwischen den Erträgen bzw. in geringem Maße auch den Rohproteingehalten und der Fruchtbarkeit einzelner Bodennutzungssysteme. In Fruchtfolgen mit Kleegras und insbesondere in der Grünbrache-Fruchtfolge konnten bereits ohne mineralische N-Düngung vergleichsweise hohe Winterweizenerträge und Rohproteingehalte erreicht werden. Diese sind durch eine Mineral-N-Düngergabe von 80 kg/ha relativ wenig erhöht worden. In der Silomais- und Kartoffel-Fruchtfolge war aufgrund des niedrigen Bodenfruchtbarkeitsniveaus die bodenbürtige Stickstoffversorgung für eine tolerierbare Ertragsleistung nicht ausreichend. Kleinräumige Unterschiede in der Bodenfruchtbarkeit hatten auf den Flächen der Landwirtschaftsbetriebe eine ungleiche Bestandesentwicklung zur Folge. Die konservierende Bodenbearbeitung erwies sich gegenüber der konventionellen Bodenbearbeitung häufig als ungünstiger.
Günstige Bedingungen bei der Bodenfruchtbarkeit, sowohl bewirtschaftungs- als auch bodenbedingt, erhöhten die Kornzahl je Ähre was auf einen positiven Einfluss auf die ertragslimitierende generative Entwicklungsphase des Winterweizens hinweist. Hiermit ist eine Möglichkeit gegeben, die Anbausicherheit dieser Fruchtart zu erhöhen und den Input an mineralischer N-Düngung zu reduzieren. Mit dem Ansatz der linearen Korrelation konnten die Beziehungen zwischen den Unterschieden in der Bodenfruchtbarkeit und der Ertrags- und Qualitätsbildung nicht beschrieben werden. Es deutete sich jedoch an, dass mit der Regenwurm-Individuengeschichte und -Biomasse die Ertragsfähigkeit unterschiedlicher Bodennutzungssysteme beurteilt werden kann. Insgesamt zeigt sich, dass auf sandigen Böden eine deutliche Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit bereits nach einer vergleichsweise kurzen Zeit erreicht werden kann. Diese Erkenntnis kann für nachhaltige und umweltschonende Bodennutzungssysteme genutzt werden.

The aim of the study was to gain knowledge of the effect of crop rations and tillage systems on the components of soil fertility, soil organic matter, earthworm activity, and soil aggregate stability, and to quantify these effects. Furthermore, crop yields and crop quality were estimated in variants with and without mineral N-fertiliser applied, and the correspondence between soil fertility and plant productivity assessed. With three sites, the field experiment "Cultivation systems" of the experimental site for plant production, Humboldt-University of Berlin, in Blumberg and on-farm sites in the "Landwirtschafts-GmbH & Co KGG Brodowin" and "Thaerhof Möglin Agrar-GmbH", different cultivation systems and soil conditions were taken into consideration. With the field experiment "Cultivation systems" investigations were carried out in four crop rotations (grain crop rotations with varying leaf crops_ grass-clover fallow, grass-clover used two years as fodder, silage maize, potatoes) and two tillage systems (conventional tillage with the plough, conservation tillage as tined cultivation).
Varying cultivation systems led to clear differences in the contents of organic carbon, labile carbon, and total nitrogen, but only to slight differences in hot water soluble carbon content. In addition to the quantitative variation, humic substances indicate a differentiation in soil organic matter quality. Alterations in soil organic matter were induced by the input of organic matter in crop rotations, and to a lesser extent by the distribution in the soil through tillage methods. Heterogeneous soil conditions on the farm sites led to greater differences in soil organic matter content than those which could be induced by cultivation methods.
Distinct earthworm communities were found on the three sites. Differences in species numbers resulted from cultivation methods as well as heterogeneous soil conditions. The size of earthworm populations were effected primarily by crop rotations. Reduction in tillage intensity especially had a positive effect primarily by crop rotations. Reduction in tillage intensity especially had a positive effect in crop rotations with greater amounts of plant residue available. Main limiting factor for the development of earthworm populations on these sites was the food supply. Soil differences led to a variation in earthworm populations of the same magnitude as cultivation methods.
With grater amounts of soil organic matter, and a more intensive biological activity, a better soil structure was achieved on these sandy soils. Soil aggregate stability was also clearly effected by tillage, with higher values after reduced tillage as compared to tillage with the plough.
For the quantitative classification of soil fertility parameters effected by cultivation, agricultural systems (actual value) were compared with a long-term seeded fallow as reference site (target value as potentially possible level). The level of the soil fertility parameters was always lower under cultivation than under the long-term seeded fallow. Earthworm populations showed the clearest differences. With appropriate cultivation methods shortcomings in terms of target values can be reduced. In a grain crop rotation one year of undisturbed soil under seeded fallow and high amounts of plant residue returned to the soil had the greatest effect. With the comparison of the mean relative values of the soil fertility parameters, first estimations of magnitude could be assessed values in different cultivation systems could be given for the site in Blumberg.
Apart from the cultivation, soil conditions had an influence on the components of soil fertility. Increase in soil organic matter and earthworm activity. This context could also be found on the heterogeneous on-farm sites. Soil texture, soil organic matter, and earthworm populations could be grouped together in clusters with similar values. An estimation of the level of soil fertility was only descriptively possible with "favourable" or "unfavourable".
Plant development and yields were mainly affected by mineral N-fertilisation. Nevertheless, if deprived of mineral nitrogen, cultivation systems showed clear interactions between yields, an to a lesser extent crude protein content, and soil fertility. In crop rotations with grass-clover, and especially in the rotation with grass-clover fallow, yields of winter wheat and crude protein content were relatively high without mineral nitrogen applied. Both were increased only marginally by applying 80 kg/ha N. In rotations with silage maize and potatoes, low soil fertility and therefore soil bound nitrogen supply, was not enough to achieve acceptable yields. Differences in soil fertility led to uneven crop development on the farm sites. Conservation tillage was often unfavourable as compared to conventional tillage.
A higher level in soil fertility, caused by cultivation methods or soil conditions, increased the number of kernels per ear, indicating a positive effect on the yield limiting generative development phase of winter wheat. Herewith a possibility is given to improve the cultivation of this crop and to reduce the input of mineral nitrogen. The interactions between differences in soil fertility and crop yields an quality could not be described by linear correlation. The significant correlation between earthworm numbers, biomass, and plant yields suggest that earthworm populations can serve to assess the productivity of cultivation systems.
Overall it could be shown that soil fertility and crop productivity of sandy soils can be improved in a relatively short period of time. This knowledge can be useful in the context of planning sustainable and low input cultivation systems.