Ackerbau, Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung

2.1.1Ackerbaulich relevante Bodeneigenschaften

Das System Boden ist charakterisiert durch das Zusammenwirken von unveränderlichen und veränderlichen Bodeneigenschaften. Weitgehend unveränderliche Bodeneigenschaften sind die Textur, das Bodenprofil, das Relief und die Exposition an einem bestimmten Standort. Sehr gute ackerbauliche Bedingungen finden sich diesbezüglich auf Schwarzerden aus Löß, ungünstige hingegen auf feinerdearmen Sandböden. Am Beispiel von zwei spezifischen Standorten sollen hierzu wesentliche Aspekte dargestellt werden (Tab. I-1, Foto I-1).

Foto I-1 Bodenprofile ausgewählter Ackerstandorte; Links: Standort Thyrow, Brandenburg; Rechts: Standort Bad Lauchstädt, Sachsen-Anhalt (Foto: Winkelmann)

Mit der am Standort gegebenen Textur stehen die Bodenstruktur sowie bodenchemische und bodenbiologische Parameter im Zusammenhang. Hierfür lassen sich standorttypische mittlere Werte ermitteln, mit denen der ackerbauliche Status zu quantifizieren ist. Dazu zählen unter anderem die Trockenrohdichte und damit zusammenhängend das Porenvolumen und die Wasserspeicherfähigkeit (Tab. I-2).

Die Bodenstruktur sowie bodenchemische und bodenbiologische Parameter sind in gewissen standortspezifischen Grenzen variabel. In Abhängigkeit von natürlichen Einflüssen und ackerbaulichen Eingriffen unterliegen sie fortlaufenden Veränderungen. Der zentrale Parameter für die Bodenstruktur ist die Trockenrohdichte. Bei einer mittleren Reindichte des Bodens zwischen 2,5 und 2,6 g cm–3 kann diese Maßzahl zwischen 1,2 und mehr als 1,8 g cm–3 variieren. Im mit Wasser oder Luft erfüllten Raum des Bodenvolumens, dem Porenvolumen, laufen alle Wasserbewegungs- und Belüftungsvorgänge ab. Diese sind unmittelbar von der Trockenrohdichte abhängig. Bei mittleren Dichten variieren die Porenvolumina bodenartabhängig etwa zwischen 37 und 45%.

Die Wasserhaltefähigkeit steht in direkter Beziehung zur Porengrößenverteilung. Neben der Textur und dem Humusgehalt wird sie auch unmittelbar durch das Bodengefüge beeinflusst. Dieses ist unter dem Einfluss von ackerbaulichen Maßnahmen in bestimmten Grenzen variabel. Dabei ändern sich die Anteile der verschiedenen Porengrößen, die spezifische Funktionen bezüglich des Wasser- und Lufthaushaltes im Boden haben (Tab. I-3).

Mit abnehmendem Porendurchmesser wird Wasser fester in den Poren gebunden. Je kleiner der Porendurchmesser ist, um so höher ist die Saugspannung, mit der das Wasser in den Kapillaren gehalten wird. Der pF-Wert (log cm Wassersäule) ist das Maß für die Wasserbindung im Boden. Für einen spezifischen Boden steht somit jedem pF-Wert eine bestimmte Wassermenge gegenüber, die bei dieser Saugspannung gehalten werden kann. In groben Poren mit einem Äquivalentdurchmesser von >50 µm wird kein Bodenwasser entgegen der Schwerkraft gehalten. Im Bereich der Feldkapazität (Wasservolumen bei pF 1,8) sind sie entwässert und lufterfüllt. Der Parameter Luftkapazität gibt den Luftgehalt von Bodenproben bei Feldkapazität an. Dieser ist sowohl bodenartspezifisch als auch stark von der Bewirtschaftung geprägt und variiert in vergleichsweise weiten Grenzen zwischen 2 und >20%.

Die bisher genannten Parameter der Bodenstruktur werden im allgemeinen in der Ackerkrume (Ap-Horizont) bestimmt. Für die Bodenbeurteilung aus ackerbaulicher Sicht ist es aber auch erforderlich, die Struktur in tiefer liegenden Horizonten zu kennen. Dies betrifft die Durchwurzelbarkeit des Bodenraumes ebenso wie die Wasserableitung in tiefere Bodenschichten sowie den kapillaren Wasseraufstieg von dort. Zu diesem Zweck wird der Durchdringungswiderstand gemessen. Das ist die Kraft, welche aufgewandt werden muss, um eine Kegelspitze vertikal in den Boden zu treiben und den Widerstand der Bodenmatrix zu überwinden. Dabei erhält man unter anderem Auskunft über gegebenenfalls vorhandene schädliche Bodenverdichtungen (Abb. I-2).

Abb. I-2 Durchdringungswiderstand auf einem schluffigen Sandboden mit Krumenbasisverdichtung und auf einem nicht verdichteten Lößboden (nach Pronin 2002 und Institut für Zuckerrübenforschung Göttingen 2001).

Mit dem Gehalt an organischer Bodensubstanz, der Bodenazidität und den Nährstoffgehalten werden wesentliche agrikulturchemische Parameter erfasst. Sie sind, wie die Bodenstruktur auch, einerseits durch die gegebene Textur beeinflusst, andererseits aber in hohem Maße von der Bewirtschaftung abhängig. Die in Tabelle I-4 angegebenen Werte für eine Lößschwarzerde kennzeichnen einen vorteilhaften ackerbaulichen Bodenzustand, bei dem standortspezifisch hohe Humus- und Nährstoffgehalte mit günstiger Bodenreaktion für hohe Bodenfruchtbarkeit stehen. Die Fahlerde-Braunerde steht demgegenüber für einen Sandboden geringer Bonität (Tab. I-4).

Aus bodenbiologischer Sicht ist besonders die Tätigkeit der Regenwurmpopulationen relevant. Sie sind einerseits sensible Indikatoren für den Bodenzustand hinsichtlich des Gehaltes an organischer Substanz, der Bodenreaktion oder des Vorhandenseins von Schadstoffen im Boden. Andererseits haben die Regenwürmer für den Ackerbau größte Bedeutung, denn sie bringen organische Stoffe in den Boden ein, stabilisieren die Bodenstruktur durch das Anlegen von kontinuierlichen Makroporen und lockern verdichtete Schichten wieder auf. Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle im Stoffkreislauf, indem sie am Abbau organischer Stoffe und der damit verbundenen Freisetzung von Nährstoffen beteiligt sind. Die Regenwurmpopulationen in Ackerböden variieren in weiten Bereichen und sind stark von der Bewirtschaftung abhängig. In einem biologisch aktiven ackerbaulich genutzten Boden sind zwischen 50 bis 300 Individuen je m2 (in 20 cm Bodentiefe) mit einem Frischgewicht von 20 bis 150 g zu erwarten.

2.1.2Bodenfruchtbarkeit

Die Fruchtbarkeit der Böden ist seit jeher die Grundlage für ihre ackerbauliche Nutzung. Sie wird heute als ein komplexes Wirkungsgefüge begriffen, welches sich auf Grundlage der natürlichen Standortfaktoren als offenes, dynamisches und selbstregulierendes System durch die Bodennutzung herausbildet und entwickelt. Es steht mit anderen Systemen in Wechselbeziehungen und kann über seine Wirkungen auf Kulturpflanzen und die Umwelt beurteilt werden. Die Kategorie Bodenfruchtbarkeit wird verschieden betrachtet und interpretiert. Im allgemeinen lässt sich aber die folgende Definition zugrunde legen.

Bodenfruchtbarkeit

Bodenfruchtbarkeit ist der Wirkungsanteil des Bodens an der Ertragsbildung. Sie beruht auf physiologischen, phytosanitären und technologischen Funktionen des Bodens.

Die physiologische Funktion besteht in der bedarfsgerechten Vermittlung von Wasser, Nährstoffen, Luft und Wärme an die Wurzeln der Kulturpflanzen und hängt vom Transformations- und Speichervermögen, der Leitfähigkeit und der Durchwurzelbarkeit des Bodens ab.

Die phytosanitäre Funktion kommt im Einfluss auf den Gesundheitszustand der Pflanzen zum Ausdruck und wird durch den Gehalt an Schaderregern und Schadstoffen sowie die Dynamik ihrer Anreicherung und ihres Abbaus im Boden bedingt.

Die technologische Funktion wirkt sich im Einfluss auf die Anbauverfahren aus und kommt in der Bearbeitbarkeit sowie in den Bedingungen für Aussaat, Düngung, Pflege und Ernte der Pflanzenbestände zum Ausdruck (nach Kundler 1989).

Durch die ackerbauliche Bodennutzung können unbeabsichtigt auch negative Wirkungen auf die Bodenfruchtbarkeit ausgelöst werden. Diese sind:

 Verarmung an organischer Substanz durch einseitige, humuszehrende Fruchtfolgen, ungenügende organische Düngung oder zu intensive Bodenbearbeitung;

 Versauerung durch unterlassene Kalkdüngung;

 Nährstoffverarmung durch ungenügende mineralische oder organische Düngung;

 Vernässung infolge von Schadverdichtungen oder fehlender bzw. mangelhafter Bodenwasserregulierung;

 Verschlämmung und Verkrustung der Bodenoberfläche als Folge von Teilbrachen ohne schützenden Pflanzenbestand, begünstigt durch Verarmung an organischer Substanz und Versauerung;

 Verdichtung vor allem als Folge großer Radlasten von Maschinen und Fahrzeugen und begünstigt durch Verarmung an organischer Substanz, Versauerung und Vernässung;

 Bodenerosion durch Wasser und/oder Wind bei ungenügend geschützter Bodenoberfläche begünstigt durch Strukturverschlechterung, Verarmung an organischer Substanz und Versauerung;

 Anreicherung von Krankheitserregern und Schädlingen der Kulturpflanzen im Boden durch ungeeignete Fruchtfolgen und unzureichende Bekämpfung;

 Kontamination mit Schadstoffen durch Eintrag aus der Luft, durch Einsatz von schadstoffhaltigen Abprodukten oder überhöhten Einsatz von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln.

Aufgabe des Ackerbaus ist es, derartige negative Auswirkungen zu vermeiden. Deswegen muss dem Erhalt bzw. der Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit große Aufmerksamkeit zuteil werden, auch wenn dem zuweilen ökonomische Gründe entgegen stehen. Dies ist um so bedeutender, als sich Bodenveränderungen in negativer wie positiver Richtung allmählich und teilweise schleichend in größeren Zeiträumen vollziehen. Das heißt einerseits, dass eintretende Schädigungen nicht unmittelbar erkannt werden. Andererseits kann das Beheben von Schadsymptomen längere Zeit in Anspruch nehmen und große Aufwendungen verursachen. Vorausschauendes Handeln ist in diesem Zusammenhang das wichtigste Gebot im Ackerbau.

Um den Status und die Entwicklung der Bodenfruchtbarkeit unter den jeweiligen Standortbedingungen beurteilen zu können, werden quantitative Parameter benötigt. Dies sind Bodenfruchtbarkeitskennziffern, welche als messbare Größen den Fruchtbarkeitszustand charakterisieren. Für die verschiedenen Bodenarten wurden aus langjährigen Feldversuchen Sollwerte als Zielgrößen abgeleitet, die den Optimalzustand für die einzelnen Parameter darstellen. Diesen werden die Istwerte gegenübergestellt, welche die aktuellen Zustandsgrößen darstellen. Aus dem Ist-Sollwert-Vergleich lassen sich dann notwendige ackerbauliche Maßnahmen ableiten, welche die kurz-, mittel- und langfristige Reproduktion der Bodenfruchtbarkeit gewährleisten können.

Tabelle I-5 enthält eine Übersicht von bodenphysikalischen, bodenchemischen und bodenbiologischen Bodenfruchtbarkeitskennziffern und entsprechenden Maßnahmen zu deren Steuerung.

Die anzustrebenden Zielgrößen (Sollwerte) sind spezifisch für die verschiedenen Bodenarten. Grund dafür sind die unterschiedlichen Tongehalte sowie damit verbunden verschieden hohe Gehalte an organischer Bodensubstanz. Die physikalischen, chemischen und auch biologischen Bodenverhältnisse hängen eng damit zusammen.

Zur Beurteilung des Strukturzustandes von Böden kann die Trockenrohdichte herangezogen werden. Der Gehalt an organischer Bodensubstanz steht unter anderem in Beziehung zur Gefügebildung der Böden. In Tabelle I-6 sind Sollwerte für beide Parameter angegeben.

Die Fähigkeit von Böden, Nährstoffe zu speichern und zu transformieren, hängt von ihrer Sorptionskapazität ab. Diese ist hauptsächlich eine Funktion der Bodentextur, wonach sich auch die optimalen Gehalte an pflanzenverfügbaren Nährstoffen differenzieren. In Tabelle I-7 finden sich Sollwerte für den pH-Wert und die Gehalte an pflanzenverfügbaren Makronährstoffen.

Grundlegend bedeutsam für die Bodenfruchtbarkeit ist die bodenbiologische Aktivität. Darunter sind die Leistungen der Bodenorganismen (Edaphon) zu verstehen. Das Edaphon setzt sich aus im Boden lebenden Pflanzen (Bodenflora) und Tieren (Bodenfauna) zusammen. Die Bodenflora besteht vorwiegend aus Bakterien, Pilzen und Actinomyceten. Zu den Bakterien zählen unter anderem wichtige Spezialisten wie nitrifizierende Bakterien der Gattungen Nitrosomonas und Nitrobacter sowie solche, die Luftstickstoff zu binden vermögen (symbiontisch: Rhizobium; freilebend: Azotobacter, Amylobacter, Azospirillum, Pseudomonas, u. a.). Die bodenbewohnenden Pilze sind meist saprophytische Schleim- und Schimmelpilze, die sich von organischen Stoffen ernähren. Einige Pilze gehen eine Symbiose mit Wurzeln höherer Pflanzen ein (Mykorrhiza), wobei Pilzhyphen teilweise die Funktion von Wurzelhaaren übernehmen. Actinomyceten sind mycelbildende Bakterien, die heterotroph saprophytisch existieren.

Die Bodenfauna gliedert sich in Mikro-, Meso- und Makrofauna. Die Mikrofauna besteht aus Protozoen, die als einzellige Urtierchen räuberisch vor allem von Bakterien leben. In der Mesofauna finden sich Nematoden (Fadenwürmer; 0,4 bis 2 mm, 0,3 bis 4 × 106 je m2), die sich räuberisch von Bakterien und Protozoen ernähren und teilweise als Parasiten lebende Pflanzen schädigen. Acari (Milben; < 2 mm, 100 bis 400 000 je m2) leben überwiegend saprophytisch von abgestorbenen Pflanzenteilen und Tierlosung und zersetzen ihre Nahrung intensiv. Damit üben sie eine wichtige Funktion im Stoffkreislauf aus. Collembolen (Springschwänze; 1–2 mm, 50 bis 400 000 je m2) leben saprophytisch von Pflanzenresten und oft räuberisch von Pilzen und Bakterien. Zur Makrofauna zählen Lumbriciden (Regenwürmer; 20 bis 300 mm, 50 bis 300 je m2), die in ackerbaulich genutzten Böden mit 3 bis 10 Arten vorkommen. Sie nehmen Pflanzenreste zusammen mit mineralischen Bodenbestandteilen auf, wobei im Zuge der Verdauung Krümel mit hoher Stabilität entstehen. Sie sind die wichtigsten Bodenwühler und transportieren große Mengen organischer Substanzen bis in 1 m Bodentiefe und vermischen Ober- und Unterboden. Enchytraeiden (kleine Borstenwürmer; 5 bis 15 mm, 10 bis 2000 je m2) leben saprophytisch vor allem in den obersten Horizonten. Myriapoden (Tausendfüßer; 300 bis 3000 je m2) kommen saprophytisch lebend in ausreichend feuchten und kalkhaltigen Böden vor. Außerdem sind im und auf dem Boden Insekten und ihre Larven zu finden (300 bis 17 000 je m2).

Nach dem Absterben gehen die Bestandteile des Edaphons ebenso wie andere mortale pflanzliche oder tierische Biomasse in die organische Bodensubstanz ein. Darunter versteht man alle in und auf dem Mineralboden befindlichen abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Stoffe sowie deren Umwandlungsprodukte. Nach dem Grad ihrer Umwandlung unterteilt man die organische Substanz des Bodens in Nichthuminstoffe und Huminstoffe. Nichthuminstoffe (auch Streustoffe) sind noch nicht oder nur schwach umgewandelt. Sie enthalten Lipide, Lignin und Polysaccharide. Huminstoffe sind stark umgewandelte, hochmolekulare Substanzen. Die Gesamtheit der organischen Substanzen des Bodens bildet den Humus. Die Begriffe „Organische Bodensubstanz“ und „Humus“ werden synonym gebraucht.

Abb. I-3 Fraktionen der organischen Bodensubstanz (Körschens et al. 1997)

Aus ackerbaulicher Sicht ist es sinnvoll, diese ausgesprochen heterogene Materie in verschiedene Fraktionen zu untergliedern. Dabei ist zunächst zwischen organischer Primärsubstanz (z. B. frische Ernte - und Wurzelrückstände, organische Dünger) und organischer Substanz des Bodens (bereits umgewandelte Substanzen) zu unterscheiden. Aus den Ab- und Umbauprozessen ergeben sich einerseits Stoffe, die weiter abbaubar sind (umsetzbare organische Substanz, auch Nährhumus) und solche, die mit dem Ton stabile Komplexe eingehen und nicht weiter abgebaut werden (inerte organische Substanz, auch Dauerhumus). Bei der umsetzbaren organischen Substanz ist noch einmal zwischen einer aktiven, also rasch mineralisierbaren, und einer stabilisierten Fraktion zu unterscheiden (Abb. I-3).

Für den Erhalt der Bodenfruchtbarkeit ist die ausreichende Reproduktion der organischen Bodensubstanz eine der wichtigsten Voraussetzungen.

Deswegen ist es erforderlich, die im Zuge der Bodennutzung zu erwartende Entwicklung abzuschätzen, die sich aus Abbau und Zufuhr organischer Substanz ergibt. Diesem Zweck dienen Bilanzrechnungen. Hierbei ist davon auszugehen, dass der Anbau bestimmter Nutzpflanzenarten zu einem Nettoverlust an organischer Bodensubstanz führt (Humuszehrer). Dies ist dann der Fall, wenn die mikrobielle Abbaurate größer ist als der Anfall organischer Primärsubstanz aus Ernte- und Wurzelresten, wie z. B. bei Hackfrüchten (Kartoffeln, Rüben, Gemüsearten). In anderen Fällen wächst der Gehalt an organischer Substanz durch eine große Hinterlassenschaft an Wurzelrückständen (z. B. mehrjährige Futterpflanzen). Tabelle I-8 enthält Richtwerte für die anbauspezifische Veränderung der Humusvorräte von Böden in Humusäquivalenten. Sie werden in kg Humus-C je ha und Jahr angegeben. Negative Werte bedeuten Nettoverbrauch, positive hingegen Anreicherung an organischer Bodensubstanz.

Ganz wesentliche Quellen organischer Primärsubstanz sind die organischen Düngestoffe. Sie unterscheiden sich in ihrer Reproduktionswirksamkeit allerdings erheblich, weshalb auch dafür Richtwerte ermittelt worden sind. In Abhängigkeit vom Trockensubstanzgehalt des jeweiligen Düngers werden mehr oder weniger hohe Beiträge zur Humusreproduktion erreicht. Für Getreidestroh ist von 80 bis 100 kg ha-1 Humus-C je Tonne Substrat auszugehen. Bei Gründüngung oder Rübenblatt mit geringen Trockensubstanzgehalten liegt dieser Wert hingegen nur bei 8 kg Humus-C je Tonne. Diese Richtwerte dienen zur Berechnung von Humusbilanzen, mit denen die mittelfristige Entwicklung der Gehalte an organischer Bodensubstanz abzuschätzen ist und haben somit grundlegende Bedeutung für die nachhaltige Sicherung der Bodenfruchtbarkeit (Tab. I-9; vgl. hierzu Tab. I-30, S. 59).

Die Bodenfruchtbarkeit ist ein vielgestaltiges Phänomen, dessen Betrachtung sich mit der Entwicklung des Ackerbaus gewandelt hat. Sie ist und bleibt aber unter allen Produktionsweisen stets die Grundlage für die Erzeugung von hochwertigen pflanzlichen Nahrungsmitteln, von Futter und Rohstoffen sowie in rasch zunehmendem Maße auch von Energie. Fruchtbare Böden sind somit eine strategische Ressource, welche für die weitere Entwicklung der menschlichen Zivilisation durch nichts ersetzbar ist. Ihrem Schutz vor Zerstörung durch Erosion und weiter fortschreitende Versiegelung muss daher auf allen Entscheidungsebenen höchste Priorität eingeräumt werden.