40 Jahre bodenökologische Untersuchungen: Schlussfolgerungen für die heutige Landwirtschaft und Landschaftspflege

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40 Jahre Offenhaltungsversuche Baden-Württemberg

Tagung vom 19Mai 2015, Eningen unter Achalm, HAP-Grieshaber-Halle

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40 Jahre bodenökologische Untersuchungen:

Schlussfolgerungen für die heutige Landwirtschaft und Landschaftspflege

Prof. Dr. Gabriele Broll, Universität Osnabrück, Institut für Geographie Prof. Dr. Yvonne Oelmann, Universität Tübingen, Geographisches Institut

Änderungen der bodenchemischen, bodenphysikalischen und bodenbiologischen Verhältnisse in Abhängigkeit von den Landschaftspflegemaßnahmen in den Offenhaltungsversuchen Baden- Württemberg sind getrennt nach Naturräumen, im Wesentlichen betrifft es die Schwäbische Alb und den Schwarzwald, zu betrachten. Begründet ist dieses in erster Linie in den unterschiedlichen Ausgangsgesteinen, d. h. entweder Kalk- oder Silikatgestein, die daher pH- Werte im Neutralbereich oder im sauren Bereich hervorrufen. Dieser starke Einfluss des Ausgangsgesteins betrifft vorwiegend terrestrische, d. h. gut durchlässige und grundwasserferne Standorte. Eine gesonderte Rolle spielen Nassstandorte. Die Bodenuntersuchungen wurden in den zurückliegenden Jahrzehnten überwiegend an für die jeweiligen Naturräume charakteristischen Standorten durchgeführt (Hepsisau als kalkhaltiger und tiefgründiger Standort hoher Produktivität, St. Johann als kalkhaltiger, flachgründiger Standort geringer Produktivität, Bernau als saurer, tiefgründiger und gut durchlässiger Standort sowie Fischweier als Nassstandort). Die zugehörigen Bodentypen sind pseudovergleyter Pelosol in Hepsisau, Rendzina in St. Johann, Humusbraunerde in Bernau und Gley bis hin zu Niedermoor in Fischweier.

Betrachtet man die Bodenacidität als einen entscheidenden Indikator für Veränderungen des Oberbodens, ist folgendes festzuhalten. Eine Veränderung des pH-Wertes ist immer dann zu erwarten, wenn ein Pufferbereich überschritten wird. Neben dem Carbonatpuffer unterscheidet man die Pufferbereiche der sog. Austauscher im Boden (Huminstoffe, Tonminerale) und den Silikat- und Oxid/Hydroxid-Pufferbereich. Daher ist es nicht verwunderlich, dass sich die pH- Werte auf den, sich im Carbonatpufferbereich befindlichen, Kalk-Standorten der Schwäbischen Alb auch vierzig Jahre nicht oder, wie zum Beispiel in St. Johann, nur in den obersten Zentimetern des Bodens geringfügig geändert haben. Ob eine Tendenz zur Absenkung des pH- Wertes eintritt, ist von der Vegetation und den Niederschlagsmengen abhängig. Ist der Niederschlag hoch, werden sehr viele basisch wirkende Kationen innerhalb des Bodens ausgewaschen und der pH-Wert allmählich abgesenkt. Ist die Streu der Vegetation relativ schwer zersetzbar, was in der Regel auf den Sukzessionsparzellen im Vergleich zu den Mahd- und Mulchparzellen der Fall ist, dann kommt es umso eher zu einer Absenkung des pH-Wertes. Auf den Silikatstandorten des Hochschwarzwaldes kommt es im Laufe der Sukzession, vor allem unter den Heidelbeer-Zwergstrauchheiden, nachweisbar zur Auswaschung basisch wirkender Kationen und damit zu einer allmählichen pH-Wert-Absenkung, die eine Podsolierung der dort auftretenden Humusbraunerden hervorruft. Alle Pflegevarianten, die eine Ausbreitung der Zwergsträucher mit schwer zersetzbarer Streu verhindern, wirken einer Versauerung der Standorte entgegen.

In einigen Jahren der Versuchsdurchführung erfolgten intensive Untersuchungen zur biologischen Aktivität des Oberbodens sowohl über die Messung der mikrobiellen Aktivität als auch über die Abundanz und Biomasse der Regenwürmer. Die Biomasse der Regenwürmer ist

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auf den Kalkstandorten in der Regel höher als auf den Silikatstandorten. Ebenso ist sie auf den gepflegten Parzellen in der Regel höher als auf den Sukzessionsparzellen mit niedrigeren pH- Werten. Dieses trifft auch für die mikrobielle Aktivität, gemessen zum Beispiel als Bodenatmung oder als Enzymaktivität, zu. Gerade auf den gepflegten Parzellen tragen die tiefgrabenden Regenwürmer zum intensiven Streuabbau bei. Im Laufe der Sukzession nimmt die Anzahl der in der Streu lebenden und nicht tiefgrabenden Regenwürmer zu. Auf den Sukzessionsparzellen kommt es, unter anderem auch in Abhängigkeit vom pH-Wert und damit dem geologischen Ausgangssubstrat, zur Ausbildung mehr oder weniger mächtiger Auflagen und damit zu einer Veränderung der Humusform und des Bodengefüges. In den letzten Jahren sind deswegen in Kooperation mit kanadischen Kollegen auch einige Versuchsflächen in die Untersuchungen zur methodischen Entwicklung zur Ansprache der Oberbodenqualität herangezogen worden (Fox et al. 2014).

Die Humusgehalte der Oberböden bleiben – mit Ausnahme der Mahdparzellen – bei den Pflegemaßnahmen auf hohem Niveau relativ konstant. Das vor Versuchsbeginn bereits extensiv genutzte Grünland wies schon damals einen hohen Humusgehalt auf, wie es für Extensivgrünland typisch ist. In jüngster Vergangenheit war auch die organische Substanz des Bodens auf den Brandparzellen Gegenstand detaillierter analytischer Untersuchungen in Kooperation mit der Universität Rostock (Kiersch et al. 2012). Auch die Gesamtstickstoffgehalte zeigen wie die Gehalte an organischem Kohlenstoff keine großen Veränderungen über die Jahrzehnte. Erkenntnisse übe die weitere Entwicklung der Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte wurden auch mit Hilfe des Modells Century prognostiziert (Werth et al.

2005, Freisinger 2009). Ebenfalls in Abhängigkeit vom Standort sind die C/N-Verhältnisse als Maß für die Abbaubarkeit der pflanzlichen Biomasse auf den Kalkstandorten eng, während sie auf den Silikatstandorten weiter sind. Die Stickstoffmineralisierung ist bei den Varianten mit hoher biologischer Aktivität höher als auf den Sukzessionsflächen. Insgesamt sind jedoch die Gehalte an mineralisiertem Stickstoff auf allen untersuchten Standorten und bei allen Maßnahmen gering. Eine Gefahr der Stickstoffauswaschung besteht nicht.

Auf einigen Standorten ist im Laufe der Versuchsdauer der Gehalt an pflanzenverfügbarem Kalium durch Auswaschung zum Teil stark zurückgegangen. Auch dieses ist vom Standort abhängig, genauer gesagt vom geologischen Ausgangssubstrat und von der Bodenart. Einige Standorte haben ein hohes natürliches Nachlieferungsvermögen an Kalium aus dem Gestein, andere nicht. Bei hohen Tongehalten wird Kalium eher im Boden gehalten, während es bei Sandböden schnell ausgewaschen wird.

Die bisherigen Nährstoffuntersuchungen in den Offenhaltungsversuchen zeigten, dass die pflanzenverfügbaren Phosphorgehalte im Boden mit der Zeit abnahmen. Die Reduktion der Phosphorverfügbarkeit im Boden war unabhängig von den Maßnahmen und wurde sowohl für die ungestörte Sukzession als auch für das zweimal jährliche Mulchen belegt (Schreiber et al.

2009). Für diesen Befund gibt es verschiedene Erklärungsansätze: i) die Gesamtphosphorgehalte im Boden werden über Austragspfade (Erosion, Auswaschung) mit der Zeit reduziert, ii) Phosphor wird in andere Bindungsformen überführt, die nicht mehr pflanzenverfügbar sind. Um diese Hypothesen zu testen, wurden im Jahr 2014 Bodenproben an sechs Offenhaltungsstandorten (Schwarzwald: Bernau, Plättig, Ettenheimmünster, Schwäbische Alb:

St. Johann, Hepsisau, Melchingen) jeweils in den Maßnahmen Mulchen 2x jährlich (2M) und ungestörte Sukzession (US) entnommen. An diesen Proben und an Archivproben aus den Jahren 1975 und 1994 wurden die Bindungsformen von Phosphor im Boden mit Hilfe einer sequentiellen Extraktion bestimmt (Hedley et al. 1982). Dabei wurde zwischen labilen (=

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pflanzenverfügbaren), moderat labilen (= an Oberflächen im Boden sorbierte) und stabilen (= in Mineralgitter eingebaute) Phosphorfraktionen unterschieden.

Generell waren die Gehalte der labilen Phosphorfraktion in Böden auf der Schwäbischen Alb geringer als diejenigen im Schwarzwald, was durch die Bodeneigenschaften auf den unterschiedlichen Ausgangsgesteinen begründet werden kann (pH-Wert, Sorptionskapazität).

Demgegenüber waren auf der Schwäbischen Alb die Phosphorgehalte der stabilen Fraktion höher als im Schwarzwald. Auf der Schwäbischen Alb ist der Phosphor vornehmlich in Calciumphosphaten gebunden, die nicht für die Versorgung der Pflanzen zur Verfügung stehen.

In den vierzig Jahren seit Versuchseinrichtung veränderten sich die Gesamtphosphorgehalte nicht, so dass substanzielle Verluste über Erosion oder Auswaschung ausgeschlossen werden können. Allerdings nahmen die Anteile der labilen Fraktion am Gesamtphosphorgehalt ab, während diejenigen der moderat labilen Phosphorfraktion im Boden mit der Zeit zunahmen.

Durch die Pflanzenaufnahme und das anschließende Mulchen des Mahdgutes bzw. den Streufall wird vormals bioverfügbarer Phosphor langfristig in moderat labilen Phosphor umgewandelt.

Verknüpft mit der anhaltenden atmosphärischen Stickstoffdeposition erlangt Phosphor als wachstumslimitierender Faktor eine wichtige Bedeutung, welche selbst beim Verbleib des Erntematerials auf der Fläche - wie in den Offenhaltungsversuchen das Mulchen - über die Zeit zunimmt.

Aus den Ergebnissen der Phosphoruntersuchungen im Boden kann eine steigende Bedeutung der Art der Phosphorbindung für das Pflanzenwachstum abgeleitet werden. Zukünftig sollte daher ein Augenmerk auf die Rückkopplung der veränderten Phosphorbindungsformen im Boden mit der Phosphorversorgung der Pflanzen gelegt werden. So lassen zum Beispiel die N:P- Verhältnisse im Pflanzenmaterial der Gräser und Kräuter des Standortes St. Johann im Jahr 2005 eine Limitierung des Pflanzenwachstums durch Phosphor vermuten (Freisinger 2009), was durch einen Zusammenhang zwischen pflanzenverfügbaren Phosphorgehalten im Boden und dem Mykorrhizierungsgrad von verschiedenen Pflanzenarten belegt werden konnte (Bernhardt- Römermann et al. 2009).

Schlussfolgerungen

Innerhalb der Offenhaltungsversuche sollte der Boden einschließlich der Bodenorganismen neben Vegetation und Fauna eine stärkere Beachtung finden, da ansonsten die ökosystemaren Prozesse in Abhängigkeit von den Pflegemaßnahmen und den Standortbedingungen nicht vollständig verstanden werden können.

Gerade im Extensivgrünland sind große Mengen an Humus gespeichert, eine gute Voraussetzung für die Landwirtschaft. Im Hinblick auf landwirtschaftliche Nutzung ist eine hohe bodenbiologische Aktivität mit aus stabilen Aggregaten bestehendem, möglichst krümeligem Bodengefüge anzustreben, was zum Beispiel durch das Mulchen unterstützt wird. Bei Beweidungsflächen ist insbesondere bei Hanglagen auf Erosionsgefährdung zu achten. Sowohl hinsichtlich Landschaftspflege als auch hinsichtlich Landwirtschaft ist festzuhalten, dass man zuallererst wissen muss, um welchen Standort (Gestein, Wasserhaushalt, Gründigkeit, Klima etc.) es sich handelt, um gezielt Empfehlungen geben zu können. Eine allgemeingültige Empfehlung für den Einsatz einer Pflegemaßnahme für ganz Baden-Württemberg wäre nicht richtig, sondern sie muss standortbezogen erfolgen.

Die Eignung von Pflegemaßnahmen in der Landschaftspflege ist aus bodenkundlicher Sicht stark vom pH-Wert und dem Wasserhaushalt des Bodens abhängig. Neutrale pH-Werte und eine ausgeglichene Bodenfeuchte sind wichtige Voraussetzungen für den Abbau der organischen Substanz. In der Regel ist in der Landschaftspflege außer auf Nassstandorten keine

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Akkumulation organischer Substanz erwünscht. Das Mulchen kann außer auf nassen und sehr sauren Standorten empfohlen werden, da zumindest beim zweimal jährlichen Mulchen die Biomasse problemlos im Boden der untersuchten Standorte umgesetzt wird. Die Biomasse muss nicht entfernt werden. Es ist im Laufe der Zeit nicht zu einer Eutrophierung gekommen. Das Mähen hat neben dem damit verbundenen Problem der Entsorgung des Aufwuchses den Nachteil, dass die Nährstoffversorgung je nach Standort stark zurückgehen kann. Das Mulchen hat auch den Vorteil, dass die bodenbiologische Aktivität im Vergleich zu den Sukzessionsparzellen hoch ist. Dieses garantiert nicht nur eine schnelle Mineralisierung, sondern auch eine gute Humifizierung und damit Speicherung organischer Substanz. Unter Boden- und Klimaschutzaspekten sind insbesondere langjährige Grünlandstandorte zu erhalten. Neben der gewünschten Kohlenstoffspeicherung ist durch die hohe bodenbiologische Aktivität auch der Abbau von organischen Schadstoffen möglich. Der Boden übernimmt wichtige Funktionen wie Wasser- und Nährstoffspeicherung. Für eine entsprechend notwendige Qualität der Böden, z.B.

die Bildung von Huminsäuren, sind die Bodenorganismen verantwortlich. Im Hinblick auf die Landschaftspflege und den Naturschutz ist daher zu sagen, dass Bodenschutz auch Teil des Naturschutzes ist, was in der Regel vergessen wird. Der Schutz der Bodenbiodiversität ist nicht weniger wichtig als der Schutz der Biodiversität auf dem Boden.

Literatur

Bernhardt-Römermann, M., Brauckmann, H.-J., Broll, G., Schreiber, K.-F., Poschlod, P. (2009):

Mycorrhizal infection indicates the suitability of different management treatments for nature conservation in calcareous grassland. Botanica Helvetica 119, 87-94.

Fox, C. A., Tarnocai, C., Broll, G., Joschko, M., Kroetsch, D., Kenney, E. (2014): Enhanced A Horizon Framework and Field Form for detailed field scale monitoring of dynamic soil properties. Canadian Journal of Soil Science, 94, 189-208.

Freisinger, U. B. (2009): Kohlenstoff- und Nährstoffdynamik von Grünlandökosystemen in Südwestdeutschland - Analyse und Modellierung von Boden und Phytomasse -. Geo- und Agrarökologie, Bd. 2.

Hedley, M. J., Stewart, J. W. B., Chauhan, B. S. (1982): Changes in inorganic and organic soil- phosphorus fractions induced by cultivation practices and by laboratory incubations. Soil Science Society of America Journal 46, 970-976.

Kiersch, K., Kruse, J., Eckhardt, K.-U., Fendt, A., Streibel, T., Zimmermann, R., Broll, G., Leinweber, P. (2012): Impact of grassland burning on soil organic matter as revealed by a synchrotron- and pyrolysis-mass spectrometry-based multi-methodological approach. Organic Chemistry, 44, 8-20.

Schreiber, K.-F., Brauckmann, H.-J., Broll, G., Krebs, S., Poschlod, P. (2009): Artenreiches Grünland in der Kulturlandschaft. 35 Jahre Offenhaltungsversuche Baden-Württemberg.

Naturschutz-Spectrum. Themen. Bd. 97.

Werth, M., Brauckmann, H.-J., Broll, G. & K.-F. Schreiber (2005): Analysis and simulation of soil organic carbon stocks in grassland ecosystems in SW-Germany. J. Plant Nutr. Soil. Sci. 168, 1-11.