Schlüsselwörter
(Englisch)
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Soil compaction; soil structure; soil function; resilience; stress; oxygen deficiency, redox potential, soil respiration, denitrification, nutrients, pollutants, availability, mobility
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Im Projektfeld „Bewirtschaftung, Bodengefüge und Bodenfunktionen" erweitern wir das Verständnis von bodenphysikalischen Prozessen (Bodenverdichtung, Gefügedynamik) durch Forschungsarbeiten zu den Zusammenhängen zwischen Gefügedeformationen, Gefügeeigenschaften und Bodenfunktionen, insbesondere in Bezug auf Bodenwasser- und –lufthaushalt sowie den Oxidationszustand von Böden. Das Gefüge und die Gefügedynamik beeinflussen Transport und Aufenthalt von Wasser, Gasen, Nähr- und Schadstoffen im Boden, und damit die Verfügbarkeit von Nähr- und Schadstoffen sowie die Aufnahme durch Pflanzen.
Das gewonnene Prozessverständnis bilden wir u.a. in Simulationsmodellen ab und stellen auf dieser Basis praxisnahe Beratungshilfsmittel für Fachstellen und Landwirtschaft bereit, um praktische Möglichkeiten zur Risikominderung von Bodenverdichtungen und zur Verbesserung von Gefügeeigenschaften durch nachhaltige Bodennutzungs- und –bewirtschaftungsmassnahmen aufzuzeigen.
Die folgenden drei Aspekte sollen bearbeitet werden:
1) Das Bodengefüge kann unterschiedlich beschrieben werden, z.B. als räumliche Heterogenität der Bodeneigenschaften, als Bodenteilchen verschiedener Form und Grösse, oder als Porenarchitektur. Der Gefügezustand eines Bodens verändert sich laufend, auch kurzfristig. Deshalb ist das Erkennen und Beschreiben seiner Dynamik besonders wichtig fürs Beurteilen vieler Bodeneigenschaften, fürs Verständnis von Bodenfunktionen sowie für die Bewirtschaftungsplanung. Die Gefügedynamik ist das Resultat von mechanischen und hydraulischen Spannungen als Folge natürlicher Abläufe (Witterung, Wurzelaktivität, bodenbiologische Aktivitäten) und landwirtschaftlicher Aktivitäten (Befahren, Bearbeiten). Die Gefügedynamik landwirtschaftlich genutzter Böden ist aber nur ungenügend erforscht. Insbesondere sind auch Kenntnisse zum Regenerationsvermögen von Böden unter landwirtschaftlicher Nutzung, d.h. zur Möglichkeit, geschädigte Gefügeformen wiedergutzumachen, noch sehr unvollständig. In vielen Anwendungen, so z. B. in Bodenwasserhaushaltsmodellen, hydrologischen Modellen und Klimamodellen, wird die Gefügedynamik trotz ihrer enormen Bedeutung für Bodeneigenschaften und –funktionen vernachlässigt: Weder die saisonale Gefügedynamik noch Einflüsse von mechanischen Bewirtschaftungsmassnahmen auf den Gefügezustand werden berücksichtigt.
2) Durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmassnahmen (v.a. das Befahren) hervorgerufene mechanische Spannungen im Boden („Bodendruck") können bis in grössere Bodentiefen (~ 1 m) zu schädlichen Gefügedeformationen (Verdichtungen) führen. Der Wissenstand bezüglich Spannungsausbreitung im Boden und Ausmass dieser mechanischen Spannungen auf das Bodengefüge als Funktion von Bodenzusammensetzung und -aufbau, Bodenfestigkeit, Bodenfeuchte; Fahrwerk- und Reifeneigenschaften, Befahrungsart, etc. ist ungenügend. Gefügedeformationen können vermieden werden, wenn die von landwirtschaftlichen Fahrzeugen verursachte mechanische Spannungen für verschiedene Böden und unterschiedliche Bedingungen modelliert und vorhergesagt werden können.
3) Voraussetzung für oxidative biologische Abbauprozesse ist ein ausreichender Gasaustauch zwischen luftführenden Bodenhohlräumen und der Atmosphäre („Bodenbelüftung"). In verdichteten Böden kann der Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre beeinträchtigt sein, insbesondere die Sauerstoffversorgung. Übersteigt der Sauerstoffverbrauch bei der Bodenatmung die Nachlieferung aus der Atmosphäre, kommen die biologischen Abbauprozesse nicht einfach zum Erliegen, sondern die Mikroorganismen können auf sauerstofflose („anaerobe") Abbauprozesse umsteigen. Welche Rolle solche anaeroben Bodenprozesse für die Bodenfunktionen spielen, ist vielfach noch nicht klar. Bekannt sind unerwünschte Wirkungen wie z.B. gasförmige Stickstoffverluste durch Denitrifikation oder die Freisetzung klimawirksamer Gase (Lachgas, Methan). Es ist bekannt, dass biochemisch reduzierte Böden veränderte Eigenschaften wie pH, Redoxpotential und Denitrifikationspotential aufweisen. Ab welchem Grad der biochemischen Reduktion Bodenfunktionen beeinträchtigt werden und ob bzw. wie rasch dieser Zustand regenerierbar ist, kann für landwirtschaftlich genutzte Böden momentan noch kaum abgeschätzt werden. Aufgrund derartiger Veränderungen ist zu erwarten, dass sich auch Rückhalte- und Speichereigenschaften für Nähr-, Mikronähr- und Schadstoffe verändern werden. Mobilisierte Stoffe können durch Auswaschung verloren gehen, die Gewässer belasten und als Pflanzennährstoffe nicht mehr zur Verfügung stehen. Andererseits kann die Mobilisierung von Schadstoffen auch ihre Verfügbarkeit für Pflanzen und Bodenorganismen erhöhen, wodurch sie Nahrungsmittelsicherheit und Bodenfruchtbarkeit verstärkt gefährden würden. Mangelernährung von Pflanzen kann aber auch die Folge eines verminderten Wurzelwachstums sein, welches wiederum physikalische und biochemische Ursachen haben kann In der Literatur findet man ausserdem Hinweise darauf, dass chemisch reduzierende Metaboliten reaktiv sind und abiotische Prozesse im Boden erst möglich machen. Die Heterogenität im Bodengefüge spiegelt sich möglicherweise auch in Zonen unterschiedlicher Redoxzustände wider. Wir berücksichtigen die Hypothese, wonach die Grenzflächen zwischen diesen Zonen steile Redoxgradienten aufweisen und gleichsam als Treiber für abiotische chemische Prozesse wirken. Diese „Redoxheterogenität" (ein Parameter des Oxidationszustandes) hat möglicherweise ein Optimum in Bezug auf Bodenfunktionen.
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Projektziele
(Deutsch)
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1) Bedeutung von Gefügeschädigungs- und -bildungsprozessen für Gefügeentwicklung, Gefügezustand und Bodenfunktionen (z.B. Wasser- und Stofftransport, Gasaustausch): Bessere Kenntnisse des Auftretens und der Wirkungen von Deformationsprozessen (Bodenverdichtung) sowie anthropogenen (Bodenbearbeitung) und natürlichen Gefügebildungsprozessen (wie Wurzelentwicklung und biologische Aktivität) und ihrer Einflüsse auf Gefügeeigenschaften und Bodenfestigkeit. Modellieren der Gefügedynamik und der davon abhängigen bodenphysikalischen und bodenmechanischen Eigenschaften. Vertieftes Verständnis der Beeinflussbarkeit von Gefügebildungsprozessen durch landwirtschaftliche Bewirtschaftungsmassnahmen.
Ziele ZAP12-13: Auswertung der gefügebezogenen Untersuchungen in den Feldversuchen „Compaction – Regeneration –Biological Activity" (COREBA), „Controlled traffic farming" (CTF) und „ Persistent effects of subsoil compaction on soil ecological services and functions" (POSEIDON).
2) Vertieftes Verständnis bodenmechanischer Prozesse, Quantifizieren mechanischer Bodeneigenschaften, Modellieren bodenmechanischer Prozesse: Beschreiben und Modellieren der Spannungsausbreitung in Böden bei Befahrungen, Charakterisieren und Parametrisieren der mechanischen Festigkeit und des Spannungs-Deformationsverhaltens von Böden. Entwickeln und Testen von Simulationsmodellen sowie Bereitstellen von Beurteilungshilfsmitteln fürs Abschätzen von Bodenverdichtungsrisiken bei Befahrungen durch landwirtschaftliche Fahrzeuge in verschiedenen Arbeitsgängen und mit unterschiedlichen Maschinen.
Ziele ZAP 12-13: Entwickeln und Testen des Simulationsprogrammes Terranimo; Erarbeiten des Moduls „Bodenverdichtung" für die Vollzugshilfe Umweltschutz (physikalischer Bodenschutz) von BLW/BAFU.
3a) Zusammenhänge zwischen Gefügezustand, Witterung und Bodenumwelt: Ausarbeiten von Messmethoden zur Bestimmung von Parametern des Luft- und Wasserhaushaltes von Böden, insbesondere bezüglich Sauerstoffversorgung und Oxidationszustand von Böden. Erfassen und Charakterisieren der räumlichen und zeitlichen Variabilität dieser Parameter an unterschiedlichen Standorten und des Einflusses von Witterung, Bewirtschaftung und Gefügezustand. Verständnis der Zusammenhänge zwischen Gefügezustand, Gastransport im Porensystem und biochemischer Reduktion in Böden. Ermitteln von Ausmass und Dynamik der Reversibilität ungünstiger biochemischer Reduktionszustände.
Ziele für ZAP12-13: Dynamik und Wertebereiche für typische Redoxzustände und O2-Versorgung in ungesättigten Böden (Lysimeterversuch LU, CTF-Versuch Tänikon) sowie Abgrenzung ungünstiger Zustände.
3b) Einfluss des Oxidationszustandes von Böden auf biochemische und biologische Bodenfunktionen und das Verhalten von Nähr- und Schadstoffen in Böden: Verbessertes Verständnis des Einflusses der biochemischen Reduktion auf den Stoffhaushalt („chemische Reduktionsstärke") inklusive der Bedeutung von Veränderungen der biochemischen Reduktion für die Mobilität von Nährstoffen, Mikronährstoffen und Schadstoffen. Erarbeiten der experimentellen Methodik und der Zusammenhänge zwischen dem Oxidationszustand und biologischen Bodenprozessen (z.B. Veränderung der mikrobiellen Biomasse, der mikrobiologischen Aktivitäten bzw. Prozesse, der Diversität und des Wurzelwachstums); Charakterisierung der Reversibilität beeinträchtigter oder veränderter biologischer Bodenzustände bzw. -prozesse beim Wechsel zwischen Oxidationszuständen und von Schadschwellen für Sauerstoffversorgung bzw. Oxidationszustand im Hinblick auf die Beeinträchtigung von Bodenfunktionen.
Ziele für ZAP12-13: Analyse der Messreihen Redoxzustände und ODR-Werte aus dem Lysimeterversuch LU und dem CTF-Versuch Tänikon, zusammen mit Angaben zur Mobilität und Bioverfügbarkeit von Schwermetallen. Modelversuche zu Veränderungen von biologischen Prozessen der N-Dynamik unter unterschiedlichen bzw. wechselnden Bedingungen.
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Kunden/Berichterstattung
(Deutsch)
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- Wissenschaftliche Gemeinschaft: Publikationen (peer-reviewed), Präsentationen an wissenschaftlichen Tagungen, Simulationsmodelle
- Bauern, Lohnunternehmer, landwirtschaftliche Beratung; Bundesstellen (BLW, BAFU); kantonale Bodenschutzfachstellen: Modelle und Beurteilungshilfsmittel, praxisnahe Publikationen, Weiterbildung.
- Lehre: MSc und PhD Ausbildung.
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