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. Denis Pronin

Datum der Promotion: 12. 12. 2002

ISBN 3–8322–1262–0
Shaker Verlag, Aachen 2003

In einem Parzellenfeldversuch und in drei Praxisbetrieben im Land Brandenburg, sowie in einem Dauerversuch der Russischen Akademie der Landwirtschaftswissenschaften Novosibirsk wurden von 1998 bis 2001 vergleichende Untersuchungen zum Einfluss konservierender und konventioneller Bodenbearbeitung auf bodenphysikalische, bodenchemische und bodenbiologische Parameter in differenzierten Tiefen des Bodenbearbeitungshorizontes durchgeführt. Weiterhin sind die Ertrags– und Qualitätsbildung von Winterweizen bei unterschiedlicher Teilung der Stickstoffdüngung betrachtet worden.
Die Praxisbetriebe befanden sich zu Beginn der Forschungen im sechsten Jahr der differenzierten Bodenbearbeitung.
Der Parzellenversuch am Standort Blumberg berücksichtigte vier Bodenbearbeitungssysteme (konventionell mit dem Pflug, konservierend mit Grubber, Frässaat bzw. Direktsaat) seit 1998.
Der multifaktorielle Dauerfeldversuch in Novosibirsk existiert seit 1982. Eigene Untersuchungen wurden in den Bodenbearbeitungsvarianten "Pflug im Herbst", "Schwergrubber im Herbst" und "ohne Grundbodenbearbeitung" 2000/2001 durchgeführt.

Die konservierende Bodenbearbeitung weist unter den Standortbedingungen Brandenburgs (Barnim) aufgrund des sandigen Substrates und der fehlenden Lockerung höhere Lagerungsdichte– und Durchdringungswiderstandswerte in 0–30 cm auf. Die größte Zunahme ist bis eine Tiefe von 20 cm zu beobachten. Das durch konventionelle Bewirtschaftung geschädigte Gefüge in der Krumenbasis kann sich bei Einsatz konservierender Verfahren regenerieren, doch ist ein messbares Ergebnis frühestens im vierten Umstellungsjahr zu erwarten.
Nach sechs Jahren unterschiedlicher Bewirtschaftung auf leichten sandigen Böden deuten erhöhte Luftleitfähigkeitswerte in der Tiefe 5–30 cm bei konservierender Bodenbearbeitung auf die Verbesserung der Porosität und eine beginnende Porenkontinuität hin.

Am Standort Novosibirsk wirkt sich die Reduzierung der Bodenbearbeitung bezüglich der pneumatischen Leitfähigkeit entgegengesetzt aus. Schwarzerde, kontinentales Klima mit tiefreichenden Frostwirkungen im Winter begünstigen die im Herbst gepflügten Varianten. Das gilt auch für den Durchdringungswiderstand unterhalb 45 cm bis zur gemessenen Bodentiefe von 70 cm. Die Lagerungsdichte bis 30 cm Bodentiefe steigt bei fehlender Herbstbearbeitung wie auf den sandigen Böden des Brandenburger Versuchsgebietes. Unterhalb 30 cm bildet sich auch auf der Schwarzerde Novosibirsk eine Pflugsohlen– und eine Krumenbasisverdichtung aus, die Lagerungsdichte und der Durchdringungswiderstand liegen in dieser Schicht (30–45 cm Tiefe) zum Teil um 0,5 N/mm² über der Variante Herbstbearbeitung mit dem Pflug.

Die verschiedene Bodenbearbeitungssysteme führen auf dem sandigen Boden in Brandenburg zur deutlichen Veränderung der vertikalen Verteilung von C_org, C_hwl und N_t im Bereich der Ackerkrume. Höherer Humusgehalt in den oberen 0–10 cm bei konservierenden Verfahren ist mit größerer biologischer Aktivität verbunden. Trotz höherer Bodenatmung in dieser Bodenschicht liegen die Kohlenstoffgehalte über denen bei konventioneller Bodenbearbeitung. Die summarische Kohlenstoffakkumulation von 0–30 cm ist ein Beitrag zur Entlastung der Atmosphäre mit Kohlendioxid.

Nach dem dritten Versuchsjahr werden bei ausbleibender Bodenwendung eine deutliche Anreicherung von PDL und KDL in der Schicht von 0–10 cm und abgesenkte pH–Werte im oberflächennahen Horizont nachgewiesen. Das gilt insbesondere für die Direktsaat in der Tiefe 0–5 cm. Unter diesen Bedingungen sollten Phosphor und Kalium häufiger in kleineren Gaben verabreicht werden (keine Vorratsdüngung). Tiefen– oder Unterfußdüngung sind ebenfalls Maßnahmen gegen Anreicherungen dieser Elemente in Oberflächennähe. Kalkung muss oberflächig in häufigeren kleineren Gaben zur Neutralisierung der bei der Mineralisierung freiwerdenden Säuren ausgebracht werden. Die ehemals begründete und noch heute von der LUFA der Länder allgemein empfohlene Beprobung in 0–20 cm und 20–40 cm Tiefe kann für nichtwendend bewirtschaftete Flächen eine irreführende Aussage zur Folge haben. An das Bodenbearbeitungssystem angepasste Beprobungstiefen von 0–10 cm und 10–30 cm dürfen bei konservierender Bodenbearbeitung oder Direktsaat den Zustand der Fläche besser beschrieben.

Direktsaat führt im Herbst am Standort Blumberg nach Winterweizen (1999) und Silomais (2000) bis zu 30 % höheren N_min–Gehalten in den Tiefen von 0 bis 90 cm. Das ist weniger auf direkte Auswirkungen der Bodenbearbeitung als auf verminderte Erträge in beiden Jahren und damit geringere Stickstoffentzüge trotz höherer Rohproteingehalte zurückzuführen, wie die N–Bilanzen zeigen.
N_min–Untersuchungen im Frühjahr verdeutlichen, dass sich die Herbstunterschiede während des Winters in allen Bodenbearbeitungsvarianten ausgleichen und keine signifikanten Unterschiede mehr nachweisbar sind. Das deutet auf Stickstoffverluste hin und belegt ein Risiko besonders bei der Direktsaat, wenn die geplanten Erträge nicht erzielt werden.

Der Nachweis des Regenwurmbesatzes mit der angewendeten Ausgrabungsmethode wird stark von Witterungsbedingungen (Bodentemperatur und –feuchte) beeinflusst. Eine Zählung 2001 im Winterweizen zeigt, dass im dritten Versuchsjahr zwischen den Bodenbearbeitungsvarianten deutliche Unterschiede bei Biomasse und Anteil der drei bestimmten Arten auftreten. In der Direktsaatvariante gehören bei doppelt hoher Biomasse (15,2 g/m²) 30 % der Tiere zur Art Lumbricus terrestris gegenüber nur 7 % der Variante Pflug, in der 92 % zur Art Aporrectodea caliginosa gehören. Die anektische Art Lumbricus terrestris trägt zur Verbesserung der Durchwurzelbarkeit und der Funktionalität des Bodens bei.

Konservierende Bodenbearbeitungssysteme führen bei integrierten Bekämpfungsmaßnahmen nicht zur Zunahme des Unkrautsamenvorrates. Abweichend verhält sich die Direktsaat, bei der in beiden Untersuchungsjahren die Unkrautsamenzahl 8,1 % bzw. 19,8 % über der Pflugvariante liegt. Samen aus den nichtwendend bewirtschafteten Systemen weisen im Labortest höhere Keimungsraten auf, als die aus der Pflugvariante gewonnenen, weil der Pflug einen größeren Anteil nicht keimfähiger Samen nach oben transportiert. Längere Lagerzeit in tieferen Bodenschichten reduziert die Keimfähigkeit. Die chemische Unkrautkontrolle verhindert einen möglichen negativen Einfluss auf den Kulturpflanzenbestand bei Direktsaat.

Nach Direktsaat erzielen Erbsen auf dem leichten Blumberger Boden ein Ertragsniveau 1998 von 21,5 dt/ha mit einem Minderertrag von 10 % gegenüber traditioneller Bodenbearbeitung. Silomais erreicht 95,6 dt/ha TS bei einem Minderertrag von 16,6 %. Die Grubberbearbeitung bis 12 cm führt bei Silomais zu ähnlichen Ertragsergebnissen wie Pflugarbeit. Winterweizen erzielt 1999 61,9 dt/ha und 2001 63,3 dt/ha.
Der Ertrag in den untersuchten Bodenbearbeitungsverfahren hängt stark von der Witterung ab. Bodenfeuchtigkeit zur Aussaat und die Witterungsbedingungen während der frühen Jugendentwicklung sind entscheidend und können in der Direktsaatvariante ohne Berücksichtigung der Stickstoffverteilung zu Mehrerträgen bei Winterweizen (2001 6,3 % über dem Pflug) oder zu Mindererträgen (1999 2,4 % unter dem Pflug) führen. Grubberbearbeitung schneidet in beiden Weizenversuchsjahren im mittel der Stickstoffvarianten günstiger als Pflugbearbeitung ab (1999 7,2 %, 2001 2,1 %).

Unter den Standortbedingungen von Novosibirsk erweist sich beim Anbau von Sommerweizen die im Herbst geprüfte Variante mit signifikant um 3,3 dt/ha Mehrertrag im mittel von vier Jahren der Variante "ohne Grundbodenbearbeitung im Herbst" mit nur sehr flacher Frühjahrsbearbeitung (Eggen) überlegen. Das entspricht einem Mehrertrag von ca. 10 %.

Gabenteilungen bei der Stickstoffdüngung beeinflussen Ertrag und Qualität von Winterweizen in Abhängigkeit vom angewendeten Bodenbearbeitungs– und Bestellverfahren.
Ein früherer Abschluss der Stickstoffdüngung führt in den konservierend bewirtschafteten Varianten und bei der Direktsaat häufig zu besten Erträgen, Pflugeinsatz reagiert günstig auf eine spätere Teilgabe der Stickstoffdüngung. 50 % der Stickstoffdüngung (60 kg/ha) im Entwicklungsstadium BBCH 49 erhöhen den Rohproteingehalt in allen Bodenbearbeitungsvarianten 1999 um 0,6 % und 2001 um 1,5 % gegenüber der ungeteilten Verabreichung von 120 kg N/ha.

Die Untersuchungsergebnisse belegen, dass die Entscheidung über die Wahl des Bodenbearbeitungsverfahrens fruchtart– und standortabhängig ist und zusätzlich von der Witterung beeinflusst wird.

Für die leichten sandigen Standorte in Nordostdeutschland ist die konservierende Bodenbearbeitung unter Beachtung von Vorfrucht, Phytopatogenen, Strukturzustand u.a. ein geeignetes Verfahren für den Getreidebau. Das belegt auch die zunehmende Akzeptanz durch die landwirtschaftliche Praxis. Auf den bindigen Böden unter den spezifischen Produktionsbedingungen Westsibiriens (u.a. Witterung, Technik, Qualifizierung) sind solche Bodenbearbeitungssysteme nur bedingt zu empfehlen.

Aufgrund von Klimaveränderungen (im Mittel der vier Versuchsjahre lag die Temperatur um 0,8 °C über und die Niederschlagsmenge um 44,3 mm unter dem Standortmittel 1971–2000) sowie des praktischen und technischen Fortschrittes sind ständig weitere Forschungen zum Nachweis der Nachhaltigkeit neuer Verfahren in der Pflanzenproduktion notwendig.

Investigation of the influence of conservation tillage and ploughing on physical, chemical and biological soil characteristics at different soil layers were carried out from 1989 to 2001. Further, the effect of nitrogen application on yield and quality of winter weat was examined. The experiments were done at three private farms in Brandenburg state, Germany. These farms have been using conservation tillage for 6 years. In addition 4 treatments (ploughing, chisel plough, sowing with rotary tiller and direct sowing) were tested at the research station of the Humboldt–University of Berlin near to the farms. To compare the sandy soil and climatic conditions of Brandenburg with contrary conditions, experiments were carried out from 2000 to 2001 and the results (1998–2001) of a long time field experiment (plough in autumn, chisel plough in autumn, and conservation tillage) at Novosibirsk (Russia) were used.

The sandy soils of Brandenburg had both a higher density and penetration resistance at the level of 0–30 cm with a maximum at 20 cm. The damaged soil structure could be regenerated by conservation tillage, but it needed a maximum of 4 year. The practical farms registered a better soil porosity at a depth of 5–30 cm in contrast to Novosibirsk, where the ploughed black soil under frost conditions had a better penetration resistance up to 70 cm. The black soil plough layer needed ploughing in Autumn to maintain better penetration resistance.
Between 0–45 cm depth, there was a layer with penetration resistance of around 0,5 N mm^–2 more than at autumn ploughing.

The treatments of sandy soil exhibited on a change of vertical distribution of organic matter at the top–soil. More organic matter in the top–soil was connected with a higher biological activity. In spite of this the content of organic matter was higher than by ploughing. The total organic matter accumulation at 0–30 cm is a contribution to minimize the CO₂ emission.

The contents of P and K were increased and the pH value was decreased at the top–soil by conservation tillage. Therefore, K and P have to be given in smaller rates and schorter frequencies. The best way to prevent high cocentration at the top–soil is to apply these fertilizers under the seeds or deeper. Lime has to be applied in a similar way to neutralize the organic acids.

The methodology of conservation tillage proposes that soil samples be taken from the level 0–10 cm and 10–30 cm.
No–tillage at autumn on sandy soils at Blumberg after wheat in 1999 and after maize in 2000 increased the mineralized N at 0–90 cm depth and its loss resulting in lower yields during these years.

The number of earthworm recorded was influenced by the method used, soil moisture and temperature. After three years of no–tillage, there were differences in the worm biomass (increase after ploughing) and in relation to species (Lumbricus terrestris: no–tillage 30 %, ploughing 7 %; Aporrectodea caliginosa: ploughing 92 %). The anectic species, Lumbricus terrestris, improved the soil penetration and condition.

The conservation tillage did not increase the weed seed bank because of integrated weed management. In spite of this at no–tillage the seed bank was higher compared to the plough level (by 8,1 % 2000, 19,8 % 2001). Seeds of unploughed tillage had higher germination rates, because of age, death, and dormancy. Chemical weed control was found necessary at conservation tillage.
By direct sowing the yield of pea and silo maize (dry matter) was 21,5 dt/ha and 95,6 dt/ha, respectively, while the yield loss compared to ploughing were 10 % and 16,6 % respectively. The yield of maize after treatment with chisel plough (12 cm depth) was similar to that of ploughing.
The yield was correlated with weather conditions. Optimal soil moisture at direct sowing and at early plant development lead to higher yield than by ploughing (e.g. wheat at 2001 6,3 %). Regarding the effect of nitrogen the chisel plough was better than the plough (e.g. wheat at 1999 7,2 %; at 2001 2,1 %).

At Novosibirsk the mean yield of summer wheat was significantly higher by 3,3 dt/ha (ca. 10 %) after ploughing compared with conservation tillage.

Split applications of nitrogenous fertiliser depended on soil treatments and sowing systems are able to influence yield and quality.
Relating to yield: early final applications at conservation tillage and a later end at ploughing gave good results. Relating to raw protein: 50 % of nitrogen (60 kg/ha) given at BBCH 49 increased the content at all soil treatments by 0,6 % (1999) and 1,5 % (2001).

The results show that decision on soil treatment have to be done depending on crop and soil characteristic and weather conditions.

The rising mean temperature and diminishing rainfall per year coupled with coming new technologies and scientific results give us reason to continue further research for sustainable crop production.

С 1998 по 2001 гг. проводились сравнительные исследования влияния консервирующих и традиционных систем возделывания на физические, химические и биологические параметры почвы на различных глубинах. При этом использовались деляночный полевой опыт в Блюмберге, производственные площади трёх фермерских хозяйств в земле Бранденбург, а также длительный полевой опыт Новосибирской Академии сельскохозяйственных наук. Кроме того было проведено сравнение урожая озимой пшеницы по количественным и качественным показателям при различном внесении азотных удобрений.
К началу исследований в этих фермерских хозяйствах уже шесть лет использовались дифференцированные системы обработки почвы.
На деляночном полевом опыте в Блюмберге исследовались четыре метода обработки: традиционная вспашка плугом, культивация, фрезирование и прямой посев.
Многофакторный длительный полевой опыт в Новосибирске был заложен в 1982 г. Собственные исследования проводились в 2000/2001 гг. на вариантах "зяблевая вспашка", "зяблевая культивация" и "без зяблевой обработки".
При применении консервирующих обработок на песчаных почвах в регионе Барним (Бранденбург) были получены более высокие результаты по объёмной массе и твёрдости почвы на глубине 0–30 см. Наибольшие показатели наблюдались на глубине 20 см. Повреждённая структура почвы в результате применения плужной обработки восстанавливается при использовании консервирующих систем. Видимый результат наступает не раньше, чем через четыре года после перехода на нетрадиционные системы обработки почвы.
После шести лет применения консервирующего возделывания на лёгких песчаных почвах повышается порозность почвы на глубине 5–30 см, что указывает на улучшение пористости и образование разветвлённой системы пор.
Редуцирование почвообработки в условиях Западной Сибири ведёт к другому результату. Промерзание почвы зимой содействует разрыхлению на вариантах с зяблевой обработкой. Это относится также и к показателю твёрдости почвы на глубине от 45 см до 70 см. При отсутствии осенней обработки объёмная масса почвы возрастает на глубине до 30 см, так же как и на песчаных почвах земли Бранденбург. Плужная подошва под пахотным слоем образуется также и на чернозёмах Новосибирска. Твёрдость почвы в этом слое (30–45 см) на варианте "плуг" превышает показатели нетрадиционных систем на 0,5 N mm².

На песчаных почвах Бранденбурга дифференцированные системы обработки приводят к отчётливому изменению вертикального распределения почвенных показателей C_org (органический углерод), C_hwl (легкорастворимый углерод)und N_t (общий азот) в пахотном слое. Более высокое содержание гумуса в верхнем слое 0–10 см при применении консервирующих систем тесно связано с большей биологической активностью. Несмотря на большое количество выделяемого углекислого газа, содержание гумуса в этом слое выше, чем при использовании плуга. Сумма связанного (аккумулированного) углерода в слое 0–30 см способствует уменьшению диоксида углерода в атмосфере.

На третий год опыта на вариантах без оборота пласта было обнаружено значительное накопление фосфора и калия в верхнем слое (0–10 см) при одновременно пониженном значении рН. Особенно сильно это проявилось при варианте "прямой посев" на глубине 0–5 см. В таких условиях фосфорные и калийные удобрения должны вноситься частыми небольшими порциями. Глубокое внесение при внесении их на глубину семенного ложа могут являться способами, направленными против накопления этих элементов на поверхности почвы. Поверхностное известкование в малых и частых дозах для нейтрализации органических кислот, образуемых при минерализации, ведёт к более эффективному использованию Р и К растениями. Ранее обоснованный и до сих пор рекомендуемый метод забора почвы на глубине 0–20 см и 20–40 см на полях, обрабатываемых консервирующими системами, может привести к ошибочным выводам. Забор проб с глубины 0–10 см и 10–30 см позволил бы в данном случае более точно определить состояние почвы на возделываемых площадях.
При применении прямого посева на опытных полях Блюмберга после озимой пшеницы (1999) и силосной кукурузы (2000) было обнаружено увеличение содержания минерального азота в почве до 30 % на глубине 0–90 см. Высокий процент содержания азота явился следствием не прямого влияния обработки почвы, а низкого урожая, т.е. растения выбрали меньшее количество азота. При этом содержание протеина в зерне было высоким.

Если осенью количество азота в почве зависит от системы обработки, то в течение зимы происходит его выравнивание, что подтверждают проведённые весной исследования. Это указывает на потери азота при снижении урожайности.

Использованная методика для определения видов и количества дождевых червей зависит от климатических условий (температура и влажность почвы). Исследование, проведённое в 2001 г. (озимая пшеница), показало, что при сравнении систем возделывания имеются существенные различия в биомассе и процентном соотношении трёх встречающихся видов дождевых червей. При варианте прямой посев 30 % дождевых червей относится к виду Lumbricus terrestris и лишь 7 % при варианте «плуг». Анектичный (глубокоземлеройный) вид Lumbricus terrestris играет важную роль в улучшении роста корней и различных функций почвы.

Консервирующие системы обработки почвы не приводят к увеличению запаса семян сорняков при условии применения профилактических мер. Несколько отличается от этого прямой посев. В первые два года исследований количество семян сорняков превысило на 8,1 % (соответственно 19,8 %) количество семян при варианте "плуг". При лабораторном тесте семена с бесплужных вариантов показали более высокий процент всхожести по сравнению с традиционным методом, т.к. плуг выносит на поверхность большую часть неспособных к прорастанию семян. Всхожесть семян, долгое время находившихся в глубоких слоях почвы, снижается. Химический контроль над сорняками предотвращает возможное негативное влияние на развитие культурных растений.

После применения прямого посева на лёгких почвах Блюмберга в 1998 году было собрано 21,5 ц/га или на 10 % меньше урожая гороха по сравнению с традиционной обработкой. Урожай силосной кукурузы достиг лишь 84,8 ц/га или на 15 % меньше, чем у варианта "плуг". При обработке культиватором до 12 см урожай кукурузы достиг того же уровня, что при варианте «плуг».
В 1999 году урожай озимой пшеницы составил 61,9 ц/га и в 2001 году – 63,3 ц/га (даны усреднённые числа по всем вариантам).
В исследуемых системах возделывания погодные условия имеют большое влияние на урожай. Влажность почвы во время посева в благоприятные погодные условия имеют большое влияние на урожай. Влажность почвы во время посева и благоприятные погодные условия в ранней стадии развития растений являются решающими факторами, позволяющими достигать больших урожаев озимой пшеницы при применении прямого посева. В благоприятном 2001 году было собрано на 6,3 % больше урожая по сравнению с плужным вариантом, в то время как в неблагоприятном 1999 году – на 2,4 % меньше. При обработке культиватором озимая пшеница показала в среднем лучшие результаты, чем при вспашке (1999 г. – +7,2 %, 2001 г. – +2,1 %).

В условиях Новосибирска урожай яровой пшеницы на варианте "основная обработка" был за четыре года в среднем на 3,3 ц/га (или на 10 %) выше, чем при нулевой обработке.
Различное внесение азотных удобрений влияет на урожай и качество озимой пшеницы в зависимости от применяемых систем обработки почвы.
На консервирующие варианты и прямой посев позитивно влияет раннее внесение минеральных удобрений, в то время как пдуг реагирует благоприятнее на более позднее дробное внесение. Последняя подкормка азотом (60 кг/га) в стадии выхода в трубку увеличивает содержание сырого протеина при всех вариантах обработки. Так, например, в 1999 году его содержание увеличилось на 0,6 % и в 2001 году на 1,5 % по сравнению с одноразовым внесением азота (120 кг/га) к началу вегетации.

Результаты исследований показывают, что выбор системы почвообработки зависит от вида культуры, от района возделывания, а также от климатических условий.

Для лёгких песчаных почв в районах Северо–Восточной Германии консервирующие технологии почвообработки являются наиболее приемлемыми и находят всё большее признание в сельскохозяйственной практике.
Существующие на тяжёлых почвах Западной Сибири особенности сельскохозяйственного производства, как то: отсутствие соотвествующей техники, средств защиты растений и недостаточная квалификация специалистов в значительной мере ограничивают внедрение прогрессивных методов возделывания почвы.

Климатические изменения (потепление на 0,8 °С, уменьшение количества осадков на 44,3 mm в течение четырёхлетнего периода проведения исследований в сравнении со средним показателем за последние 20 лет), а также научно–техническое развитие обусловливают необходимость дальнейших исследований.