Auswirkungen von mechanisch verursachten Veränderungen physikalischer Bodeneigenschaften auf chemische und biologische Bodeneigenschaften

• Forschungsstelle: ART
• Projektnummer: 08.31.03.02
• Projekttitel Englisch: Impact of mechanically induced alteration of physical soil properties on chemical and biological soil properties
• Kurztitel: Mechanische Bodenbelastungen und Bodenmilieu

Schlüsselwörter (Englisch)

soil compaction, soil microorganisms, chemical milieu, oxygen deficiency, redox potential, soil structure, resistance, resilience

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Sowohl in der Schweiz (BGS) als auch in der EU (z.B. Bundesverband Boden in Deutschland) wird an der gesetzlichen Festlegung von Richt- und Prüfwerten für bodenphysikalische Parameter gearbeitet; die dafür nötigen wissenschaftlichen Grundlagen fehlen allerdings noch weitgehend (Whalley et al., 1995).Solche Festlegungen setzen die Kenntnis der ganzen Kausalitätskette von der mechanisch verursachten Gefügeveränderung bis zu den im VBBo Art. 2 aufgeführten funktionalen Kriterien der Bodenfruchtbarkeit voraus. Im Feldversuch COREBA des Arbeitsprogrammes 2004-07 konnte bisher gezeigt werden, wie gezielt verursachte Bodenverdichtungen physikalische Bodeneigenschaften verändern, den Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre abhängig vom Witterungsverlauf einschränken und dadurch zu mangelhafter Sauerstoffversorgung im Boden führen können. Momentan werden noch die Auswirkungen dieser Gefügebeeinträchtigungen auf biologische Parameter untersucht. Der Einfluss veränderter Gefügeeigenschaften auf chemische und biologische Bodeneigenschaften kann bisher jedoch noch zuwenig genau und umfassend beschrieben werden, als dass sich auf diese Art wissenschaftlich begründete Richt- und Prüfwerte für bodenphysikalische Parameter hinsichtlich der Belastbarkeit von Böden („Resistance“) ableiten liessen.

Durch die mangelhafte Sauerstoffversorgung eines Bodens (Czyz, 2004; Stepniewski et al., 1994) entstehen in ihm zunehmend anoxische1) Bedingungen, unter denen – zusammen mit entsprechend angepassten Populationen von Bodenorganismen - anaerobe Prozesse ablaufen. Die Stoffwechselprodukte aus diesen anaeroben Prozessen (Mansfeldt, 2004; van Breemen, 1988; von Gunten and Zobrist, 1992) können zu Stickstoffverlusten (Abbasi and Adams, 1999; Stepniewski et al., 1994) und verändertem Bodenmilieu führen (z.B. pH, Redoxpotential, Aufbau und Eigenschaften von Tonen, KAK; Bartlett, 1999; Stuki, 1997) und damit wesentliche Bodenfunktionen wie die Abbaufähigkeit oder die Eignung als Pflanzenstandort beeinträchtigen. In einem Boden mit mechanisch beeinträchtigten Gefügeeigenschaften führt also der Sauerstoffbedarf von Bodenorganismen und Pflanzenwurzeln zu Veränderungen der Lebensbedingungen, die sich ihrerseits wiederum auf biologische und physikalische Bodeneigenschaften und -prozesse auswirken können. Die bodenmikrobiologische Aktivität insbesondere unter suboxischen1) Bodenbedingungen (Übergang zwischen oxischen1) und anoxischen Bodenbedingungen) wird jedoch noch kaum durch Forschungsresultate beschrieben.

Auch zur Regeneration physikalischer und biologischer Bodeneigenschaften nach einer Beeinträchtigung als Folge von Bodenverdichtungen oder -vernässungen existieren nur wenige systematisch verwertbare Informationen. Es ist davon auszugehen, dass das Regenerationspotential von Böden nicht nur sowohl durch das Ausmass als auch durch die Dauer der ungünstigen Lebensbedingungen beeinträchtigt wird. Deshalb ist es notwendig, die Zusammenhänge zwischen physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Bodeneigenschaften auch in ihrer zeitlichen Entwicklung beurteilen zu können. Diese Informationen sind für die Festlegung von Richt- und Prüfwerten ebenfalls wichtig, weil sie das Regenerationsvermögen von Böden („Resilience“) beschreiben.

1) Die Klassifizierung ergibt sich aus der sequentiellen Abfolge von Elektronen-Akzeptoren, die bei der Oxidation von organischer Substanz benutzt werden: oxisch: Sauerstoff; suboxisch: NO3- und Mn(IV); anoxisch: Fe(III), SO42-, organische Verbindungen (R. P. Schwarzenbach et al., Environmental Organic Chemistry, Wiley 1993, p. 408-411).

Projektziele (Deutsch)

Ziele:

1. Erweiterte wissenschaftliche Grundlagen als Beitrag für die Festlegung von Richt- und Prüfwerten für physikalische Bodenparameter stehen zur Verfügung.

2. Systemverständnis zur mechanischen Belastbarkeit („Resistance“) von Böden, beurteilt anhand chemischer und mikrobiologischer Bodeneigenschaften bei unterschiedlicher Bodenfeuchte (bzw. unterschiedlichem Witterungsverlauf), sind an der ART vorhanden.

3. Systemverständnis zum Regenerationsvermögen („Resilience“) von Böden, abhängig von Belastungsintensität und Belastungsdauer, sind an der ART vorhanden.

4. Quantitative Hinweise auf die mechanische Belastbarkeit und das physikalische Regenerations­vermögen von Böden bei unterschiedlichen Standort- und Bewirtschaftungskonstellationen liegen vor.

Kundennutzen:

· BAFU, kantonale Bodenschutzfachstellen:

- erweiterte wissenschaftliche Grundlagen für die Festlegung von Richt- und Prüfwerten in der VBBo liegen vor, die auf einer ganzheitlichen Betrachtung des Zusammenwirkens von Bodenprozessen bei unterschiedlichen Standort- und Bewirtschaftungsverhältnissen basieren.

· Landwirtschaftliche Beratung, Forschung:

- Grundlagen für ein vertieftes Systemverständnis der Entstehung von Bodenverdichtungen und den Folgen von Beeinträchtigungen physikalischer Bodeneigenschaften auf die Bodenqualität liegen vor.

- Kenntnisse zum Regenerationsverhalten von mechanisch geschädigten Böden sind auf dem aktuellsten Stand.

- Verbesserungshinweise für standortgerechte Bewirtschaftungsplanungen zur nachhaltigen Erhaltung und Förderung der Bodenqualität auf Landwirtschaftsbetrieben liegen vor.

Neue Kenntnisse/Literatur (Deutsch)

Publikationen über Eigenschaften verdichteter Böden befassen sich häufig mit den Ursachen und Strategien zur Vermeidung von Verdichtungen oder deren Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum:

(Isensee and Schwark, 2006; Keller et al., 2007; Lebert et al., 2006; Sidhu and Duiker, 2006; Silva et al., 2006). Konsens besteht offenbar weitgehend bei der physikalischen Phänomenologie (Tobias and Tietje, 2007). Auswirkungen auf die mikrobiologischen Bodeneigenschaften und -funktionen sind qualitativ bekannt (Whalley et al., 1995) und werden auch weiterhin untersucht (Canbolat et al., 2006). Es ist jedoch immer noch schwierig, quantitative Zusammenhänge mit physikalischen Bodeneigenschaften herzustellen. Zwar werden auch die eingeschränkte Sauerstoffversorgung und die damit verbundenen Veränderungen des chemischen Bodenmilieus beschrieben und Zusammenhänge mit Nitratverlusten (Abbasi and Adams, 1999; Ruser et al., 2006) oder mit der Entwicklung von Kulturpflanzen hergestellt (Czyz, 2004). Arbeiten, die sich auf grundlegende quantitative Zusammenhänge zwischen mechanisch erzeugten Veränderungen der physikalischen Bodeneigenschaften und den daraus resultierenden und möglicherweise auf die mechanische „Resistance“ rückwirkenden Veränderungen der biologischen und chemischen Bodeneigenschaften konzentrieren, sind dagegen auch in der jüngeren Literatur selten zu finden.

Abbasi, M.K., and W.A. Adams. 1999. Assessment of the contribution of denitrification to N losses from compacted grassland soil by NO3- disappearance and N2O production during anaerobic incubation. Canadian Journal Of Soil Science 79:57-64.

Bartlett, R.J. 1999. Characterizing soil redox behavior, p. 371-397, In D. L. Sparks, ed. Soil Pyhsical Chemistry, 2nd ed. CRC Press, Boca Raton.

Canbolat, M.Y., S. Bilen, R. Cakmakci, F. Sahin, and A. Aydin. 2006. Effect of plant growth-promoting bacteria and soil compaction on barley seedling growth, nutrient uptake, soil properties and rhizosphere microflora. Biology And Fertility Of Soils 42:350-357.

Czyz, E.A. 2004. Effects of traffic on soil aeration, bulk density and growth of spring barley. Soil & Tillage Research 79:153-166.

Isensee, E., and A. Schwark. 2006. Long-time effects of soil preservation and soil compaction on arable land. Berichte Uber Landwirtschaft 84:17-48.

Keller, T., P. Defossez, P. Weisskopf, J. Arvidsson, and G. Richard. 2007. SoilFlex: A model for prediction of soil stresses and soil compaction due to agricultural field traffic including a synthesis of analytical approaches. Soil & Tillage Research 93:391-411.

Lebert, M., J. Brunotte, C. Sommer, and H. Boken. 2006. Protecting soil structure against compaction - proposed solutions to safeguard agricultural soils. Journal Of Plant Nutrition And Soil Science-Zeitschrift Fur Pflanzenernahrung Und Bodenkunde 169:633-641.

Mansfeldt, T. 2004. Redox potential of bulk soil and soil solution concentration of nitrate, manganese, iron, and sulfate in two Gleysols. Journal Of Plant Nutrition And Soil Science-Zeitschrift Fur Pflanzenernahrung Und Bodenkunde 167:7-16.

Ruser, R., H. Flessa, R. Russow, G. Schmidt, F. Buegger, and J.C. Munch. 2006. Emission of N2O, N-2 and CO2 from soil fertilized with nitrate: Effect of compaction, soil moisture and rewetting. Soil Biology & Biochemistry 38:263-274.

Sidhu, D., and S.W. Duiker. 2006. Soil compaction in conservation tillage: Crop impacts. Agronomy Journal 98:1257-1264.

Silva, G.J., J.C.D. Maia, and A. Bianchini. 2006. Shoot growth of plants under subsurface irrigation and four degrees of soil compaction. Revista Brasileira De Ciencia Do Solo 30:31-40.

Stepniewski, W., J. Glinski, and B.C. Ball. 1994. Effects of Compaction on Soil Aeration Properties, p. 167-189, In B. D. Soane and C. van Ouwerkerk, eds. Soil Compaction in Crop Production, Vol. 11. Elsevier, Amsterdam.

Stuki, J.W. 1997. Redox processes in smectites: soil environmental significance, p. 395-406, In K. Auerswald, et al., eds. Advances in Geoecology, Vol. 30. Catena Verlag, Reiskirkche.

Tobias, S., and O. Tietje. 2007. Modelling experts' judgments on soil compaction to derive decision rules for soil protection - A case study from Switzerland. Soil & Tillage Research 92:129-143.

van Breemen, N. 1988. Long-term chemical, mineralogical, and morphological effects of iron-redox processes in periodically floodes soils, p. 811-823, In J. W. Stuki, et al., eds. Iron in Soils and Clay Minerals. Kluwer, Dordrecht, The Netherlands.

von Gunten, U., and J. Zobrist. 1992. Redoxprozesse in Grundwasser-Infiltrations-Systemen - Experimentelle Simulation in Kolonnen. Vom Wasser 78:259 - 271.

Whalley, W.R., E. Dumitru, and A.R. Dexter. 1995. Biological Effects Of Soil Compaction. Soil & Tillage Research 35:53-68.

Projektspezifische Kosten (Deutsch)

Investitionen für den Aufbau, die Aufrüstung und den Unterhalt von Messinstrumenten und -apparaturen liegen voraussichtlich im üblichen Rahmen. Leistungen von externen Personen sind momentan keine vorgesehen.

Kunden/Berichterstattung (Deutsch)