Soil³ - Nachhaltiges Unterbodenmanagement; Schlussbericht der Forschungszentrum Jülich GmbH

Abstract

Das Gesamtprojekt Soil3 untersucht die Rolle des Unterbodens für die Ernährungssicherung und Produktion gesunder Lebensmittel. Das Ziel ist, das gesamte Bodenvolumen durch gezielte Unterbodenbearbeitung für die agrarische Nutzung zu optimieren, da bis zu 80 % der für Pflanzen verfügbaren Nährstoffe und Wasser im Untergrund gespeichert sind. In der dritten Phase des Projektes hat das vorliegende Teilprojekt angestrebt, diese Effekte zu quantifizieren und die Nachhaltigkeit der Unterbodenmelioration zu untersuchen. Im Zentralfeldversuch CF3 in Thyrow wurden Elementkonzentrationen sowie 87Sr/86Sr-, δ26Mg- und δ56Fe-Werte in verschiedenen Bodenschichten sowie in Roggen- und Maispflanzen untersucht. Die δ56Fe-Werte der pflanzenverfügbaren Fe-Fraktion unter-schieden sich dabei nicht zwischen den Varianten. Zwar erhöhte die geschlitzte Variante mit Biokompost die Fe-Konzentrationen in Roggenähren, doch blieben die δ56Fe-Werte unverändert. Auch die Mg-Konzentration im Boden stieg durch den Biokompost, ohne die Mg-Gehalte im Roggen zu beeinflussen; Maispflanzen zeigten geringere, aber ausreichende Mg-Werte. Insgesamt nahmen die Pflanzen nicht ausreichend Nährstoffe aus der Kompostschicht auf, um eine Veränderung der Stabilisotopen-verhältnisse in den Pflanzen herbeizuführen, obwohl die Pflanzen in die Kompostschicht hineinwuchsen. Die Nährstoffaufnahme blieb auf die oberen 30 cm beschränkt. Die erhöhte Wasserverfügbarkeit führte nicht – wie ursprünglich angenommen – zu einer stärkeren Nährstoffaufnahme, sondern ermöglichte Maispflanzen vor allem eine effizientere Nutzung des vorhandenen Magnesiums. Insgesamt verbesserten die Tiefenlockerung und der Biokompost vor allem die Wasserrückhaltung und weniger die Nährstoffaufnahme in dem trockenen Sandboden, was wiederum zu einer Verbesserung des Ernteertrags führte. Das neue Boden-Wurzel-Modell erlaubt die Berechnung der Wasser- und Nährstoffaufnahme auf Grundlage dynamischer 3D-Simulationen und bestätigte, dass der überwiegende Teil der Wasseraufnahme in den oberen 30 cm erfolgt. Nur in unmittelbarer Nähe des mit Kompost versehenen Meliorationsstreifens zeigte das Modell eine deutliche Zunahme der Wasseraufnahme aus tieferen Bodenschichten, die vor allem durch eine Verringerung des Penetrationswiderstands bedingt war. Eine Metaanalyse zeigte, dass Nährstoffmangel sowohl Wurzellänge als auch Biomasse reduziert, jedoch die Wurzellänge pro Sprossbiomasse erhöht. Zur präziseren Beschreibung der Wurzelwasseraufnahme wurden vereinfachte 1D-Senkenterme entwickelt, die bodenhydraulische Eigenschaften der Rhizosphäre berücksichtigen und Trockenstress realitätsnäher abbilden. Damit lässt sich die Wurzelwasseraufnahme allein aus Bodenwasserpotentialen und potenzieller Transpiration ableiten; auch Kompensation sowie hydraulische Umverteilung werden erfasst. Das virtuelle Boden-Wurzel-System wurde erweitert, um das Wurzelwachstum unter verschiedenen Unterbodenmaßnahmen simulieren zu können. Durch die Implementierung der analytischen Lösung der Fokker-Planck-Gleichung wurden zudem Szenarioanalysen zur Langlebigkeit der Maßnahmen ermöglicht. Die Simulationen zeigen, dass verbesserte bodenhydraulische Eigenschaften selbst nach einer Rückverfestigung zu günstigeren Wachstumsbedingungen führen, insbesondere durch erhöhte Wasserspeicherkapazität und reduzierten Penetrationswiderstand.