Auswirkung der Energieholzproduktion auf physikalische, chemische und biologische Bodeneigenschaften auf einer Schwarzerde im Mitteldeutschen Trockengebiet
Effect of energy forestry on physical, chemical and biological soil properties on a Chernozem in continental dry climate conditions in central Germany
Journal für Kulturpflanzen, 62 (6). S. 189–199, 2010, ISSN 0027-7479, DOI: 10.5073/JfK.2010.06.01, Verlag Eugen Ulmer KG, Stuttgart
In den vergangenen Jahren hat das Interesse an nachwachsenden Rohstoffen zur Energiegewinnung stetig zugenommen. Dabei erlebt der Rohstoff Holz eine Renaissance als Energieträger. Mit der vorliegenden Studie sollen die Auswirkungen des Anbaus von Pappel (Populus nigra ssp.) und Weide (Salix viminalis ssp.) im Kurzumtrieb auf ökologisch relevante physikalische, chemische und biologische Bodenparameter einer Schwarzerde im Mitteldeutschen Trockengebiet mitgeteilt werden. Grundlage der Untersuchungen bildet ein Langzeitversuch, der im Jahr 2000 am Standort Bad Lauchstädt angelegt wurde. Als Vergleichsbasis dient eine repräsentative Ackerfläche. Bereits nach vier Versuchsjahren lassen die bodenphysikalischen Untersuchungen erste nutzungsbedingte Differenzierungen erkennen. Durch die unterlassene Bodenbearbeitung steigt bei den Dauerkulturen die Trockenrohdichte in der Oberkrume an, die Wasserleitfähigkeit nimmt dagegen ab. In Unterkrume und Krumenbasis treten meist nur geringe Differenzierungen zwischen den Varianten auf. Die Oberkrume weist unter Weide signifikant höhere organische und heißwasserlösliche Kohlenstoffgehalte auf. Im Vergleich zur Ackernutzung sind bei der Pappel noch keine Veränderungen sichtbar. Mikrobielle Biomasse und Enzymaktivitäten (ß-Glucosidase, Arginin-Ammonifikation) zeigen einen deutlich ausgeprägten Tiefengradienten und weisen in 0–5 cm Bodentiefe für die Gehölze signifikant erhöhte Werte auf. Auch bei den Lumbriciden werden bereits wesentliche Unterschiede deutlich. Pappel und Korbweide sind durch eine große Artenvielfalt und Individuendichte gekennzeichnet. Insgesamt belegt die Untersuchung eine günstige Beeinflussung wichtiger ökologisch relevanter Bodenparameter durch den Anbau schnellwachsender Hölzer am Standort Bad Lauchstädt.
Stichwörter: Weide, Pappel, Trockenrohdichte, organischer Kohlenstoff, mikrobieller Kohlenstoff, Lumbriciden
The last years have seen a growing interest in renewable resources for energy production. Especially the use of wood has increased considerably. Most studies, however, have only looked into agricultural or production aspects, thus we focus on ecologically relevant soil properties of poplar (Populus nigra ssp.) or willow (Salix viminalis ssp.) in short rotation forestry on a Chernozem located in the continental dry climate of central Germany. The results are based upon measurements in a long-term field experiment, which commenced in 2000 at Bad Lauchstädt experimental station near Halle, comparing various energy crops. Reference for all measurements is always an adjacent arable crop rotation.
Even only after four years of short rotation forestry some soil physical parameters were affected. Without any tillage in the energy forestry the bulk density increased and the saturated hydraulic conductivity decreased. Those differences were limited to the uppermost layer of the topsoil. In deeper soil layers no differences were observed. Under willows the uppermost soil layers showed a significant increase in soil organic carbon and hot water carbon. In contrast, no differences in soil organic carbon were measured under poplar. Microbial biomass and various enzyme activities like ß-Glucosidase, Arginin-Ammonification were significantly higher in the topsoil under energy forestry and also showed a steep gradient. Additionally the lumbricides did respond substantially to the different cropping systems. Under poplar and willow parameters like abundance, biomass and species diversity of lumbricides increased significantly.
In conclusions, our results demonstrate a positive effect of the fast growing tree species poplar and willow on a number of important soil quality parameters at the experimental site on a Chernozem in central Germany.
Key words: Willow, poplar, dry bulk density, organic carbon, microbial biomass, earthworms
Die Nutzung von Bioenergie hat in den letzten Jahren vor dem Hintergrund weltweit wachsender Energienachfrage und der damit verbundenen Umweltprobleme erheblich an Bedeutung gewonnen. Dabei erlebt auch in Europa der Rohstoff Holz eine Renaissance. Der Anbau schnellwachsender Bäume kann einen Beitrag zur Deckung des wachsenden Energieholzbedarfs leisten (Boelcke und Kahle, 2008). Im Gegensatz zur forstwirtschaftlichen Produktionsweise mit längerfristigen Umtriebszeiten zur Erzeugung hochwertiger Schnittholzqualität, werden bei Kurzumtriebsplantagen schnellwachsende Baumarten mit hohen Pflanzdichten bevorzugt, die in Zeiträumen von 2–6 Jahren vollmechanisiert geerntet werden können (Reeg et al., 2009). Dieser Anbauform werden in den gemäßigten Klimaregionen Mitteleuropas besonders Pappeln (Gattung Populus spp.) und Weiden (Gattung Salix spp.) gerecht (Liebhard, 2007). Die Anbausysteme zur Energieholzproduktion unterscheiden sich dabei grundsätzlich von den herkömmlichen Ackerbausystemen. Sie sind u.a. durch den Verzicht auf eine jährlich wiederkehrende Bodenbearbeitung gekennzeichnet. Hinsichtlich der Standortansprüche der Baumarten (Röhricht et al., 2002), der Düngung (Bungart und Hüttl, 2004), der Ertragsstruktur (DeBell et al., 1996, Ledin, 1996; Hofmann-Schielle et al., 1999; Boelcke und Kahle, 2008), dem Wasserhaushalt (Hall und Allen, 1997, Perry et al., 2001) und der Ernte (Burger, 2004) liegen zahlreiche Untersuchungen vor. Für eine Gesamtbeurteilung der Energieholzproduktion sind außer den anbautechnischen Aspekten auch dessen Einflüsse auf Boden, Wasser und Luft sowie die biologische Vielfalt zu berücksichtigen, weil der moderne Pflanzenbau neben einer hohen Produktivität den Prinzipien nachhaltiger Wirtschaftsweise entsprechen muss. Bisherige bodenökologische Untersuchungen konzentrieren sich auf die Auswirkungen des Anbaus von Energieholz im Kurzumtrieb auf ausgewählte physikalische (Makeschin, 1994; Laureysens et al., 2004; Kahle et al., 2007), chemische (Makeschin, 1994; Grigal und Berguson, 1998; Jug et al., 1999; Coleman et al., 2004; Kahle et al., 2007; Sanchez et al., 2007; Dowell et al., 2009) und biologische Bodenparameter (Baum und Hyrnkiewicz, 2006) sowie auf die Diversität der Bodenfauna (Makeschin, 1994). Baum et al. (2009) fassen zudem den aktuellen Wissensstand zum Einfluss von Kurzumtrieb mit Weiden und Pappeln auf die Bodenökologie zusammen und beleuchten hierbei die Kohlenstoffsequestrierung, die Diversität der Bodenorganismen, das Feinwurzelsystem und die Phytoremediation. Es fehlen aber insbesondere Untersuchungen auf Standorten mit hoher natürlicher Ertragsfähigkeit, die alle wesentlichen physikalischen, chemischen und biologischen Indikatoren der Bodenqualität in ihrer Gesamtheit abdecken und zudem die spezifischen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Faktoren und ihrem Standortbezug berücksichtigen. In diesem Beitrag sollen erste Ergebnisse aus einem Langzeitversuch auf Schwarzerde im Mitteldeutschen Trockengebiet mitgeteilt werden.
Auf der Lehr- und Versuchsstation des Instituts für Agrar- und Ernährungswissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg in Bad Lauchstädt (Randlage der Querfurter Platte) wurde im Jahr 2000 mit einem Langzeitversuch (Energiepark) zu nachwachsenden Rohstoffen begonnen. Die Bodenart am Versuchsstandort ist bis in eine Tiefe von ~55 cm stark toniger Schluff (Ut4, Körnung im Ap-Horizont 9–11% Sand, 19–21% Ton), (Altermann et al., 2005). Der Bodentyp ist ein Normtschernosem (Haplic Chernozem). Aufgrund der geografischen Lage des Versuchsstandortes im Regenschatten des Harzes beträgt das langjährige Niederschlagsmittel (1896–1995) lediglich 484 mm. Die Durchschnittstemperatur beträgt 8,7˚C.
Der Feldversuch besteht aus Varianten mit den zwei schnellwachsenden Baumarten Korbweide (Salix viminalis ssp.) und Pappel (Populus nigra ssp.), einem perennierenden Gras (Miscanthus sinensis) sowie einer Grünland- (Weidelgrasgemisch) und Ackervariante als Referenzfläche (Fruchtfolge Winterraps-Wintertriticale-Wintergerste). In der vorliegenden Arbeit wurden nur die Varianten mit Weide, Pappel und Ackernutzung (Fruchtart Winterraps (Brassica napus L. var. napus)) untersucht. Pappeln und Weiden (Stecklinge) wurden mit einem Reihenabstand von 2 m sowie einem Pflanzabstand von 0,5 m angepflanzt (Bestandesdichte jeweils 10 000 Pflanzen/ha). Die Parzellengröße entspricht jeweils 40 × 36 m. Die Pflanzung auf der ehemaligen Ackerfläche erfolgte im Frühjahr 2000 nach einer Herbstfurche (Arbeitstiefe ~25 cm) und einer Pflanzbettherstellung durch Eggen. Nach der Pflanzung wurden auf den Dauerkulturen keine weiteren Bodenbearbeitungsmaßnahmen durchgeführt. Im Gegensatz dazu erfolgt bei der konventionellen Ackernutzung jährlich eine Stoppelbearbeitung gefolgt von einer Pflugfurche mit 25 cm Arbeitstiefe sowie einer Saatbettbereitung und Aussaat mit einer Kreiseleggen-Drillkombination.
Die Düngung wurde in allen Varianten in 2 Stufen (Korbweide und Pappel 0 vs. 100 kg N ha–1; Winterraps 0 vs. 160 kg N ha–1) variiert. Die Versorgung mit Kalium und Phosphat wurde durch eine entsprechende Grunddüngung mit 60er Kali und Triple-Phosphat sichergestellt. Agrochemische Maßnahmen erfolgten in der Ackervariante in den einzelnen Jahren situationsbezogen. Auf den Pappel- und Weideparzellen wurde bis zur Probenahme im 2- und 4jährigen Turnus motormanuell und ohne jegliche Befahrung mit landwirtschaftlichen Maschinen geerntet. In der Weiterführung des Versuches wird die Ernte auch in einem 6-, 8- und 10jährigen Rhythmus durchgeführt.
Die Probenahme erfolgte ausschließlich auf den ungedüngten Varianten. Für die Untersuchung der bodenphysikalischen Parameter wurden im Frühjahr 2004 aus 4 Tiefenstufen (0–6, 16–22, 24–30, 32–38 cm) Stechzylinderproben (250 cm3) in sechsfacher Wiederholung je Variante entnommen. Zur Bestimmung der bodenchemischen und -biologischen Parameter wurden die Tiefen 0–5, 5–10, 10–20, 20–30, 30–40 cm mit einem Pürckhauer-Bohrstock ebenfalls im Frühjahr 2004 beprobt (3 Wiederholungen pro Variante). Dabei werden im Folgenden die Probenahmebereiche nach Tab. 1 eingeteilt.
Tab. 1. Einteilung der Probenahmebereiche nach der Bodentiefe für die bodenbiologischen und bodenchemischen Untersuchungen
Classification of the sampling layer for the soil biological and chemical analyses
Tiefe | Probenahmebereich |
0–10 cm | Oberkrume |
10–20 cm | Mittelkrume |
20–30 cm | Unterkrume |
30–40 cm | Krumenbasis |
An den gewonnenen Stechzylindern sowie an den gestört entnommenen Proben wurden im Labor die physikalischen, chemischen und biologischen Parameter unter Verwendung von standardisierten Methoden bestimmt (Tab. 2). Auf eine umfangreiche Beschreibung der einzelnen Verfahren wird daher verzichtet. Zusätzlich erfolgte ein Regenwurmfang durch eine kombinierte Handauslese des humosen Oberbodens mit anschließender Austreibung durch eine 0,2%ige Formaldehydlösung in 8-facher Wiederholung je Nutzungstyp auf einer Fläche von jeweils 0,125 m2 (Din Iso 11268-3). Die Artenbestimmung erfolgte im Labor nach Sims und Gerard (1985). Dabei wurden die adulten Lumbriciden (geschlechtsreif mit gut ausgebildeten Clitellum) bis zur Art bestimmt und die juvenilen Tiere aufgrund des nicht sichtbaren Clitellum nur bis zur Lebensform erfasst. Ermittelt wurden Abundanz, Biomasse und Artendiversität (Shannon-Index, Shannon, 1948).
Tab. 2. Physikalische, chemische und biologische Parameter zur Beschreibung der Bodenqualität des Versuchsstandortes Bad Lauchstädt
Physical, chemical and biological attributes used frequently for description the soil quality of test site Bad Lauchstädt
Parameter | Methode | |
Bodenphysikalische Parameter | ||
Trockenrohdichte | ||
Gesättigte Wasserleitfähigkeit | ||
Bodenchemische Parameter | ||
organischer Kohlenstoff (Corg) | Differenz von Gesamt-C (Ct) (Din Iso 10694 (1996)) und CO3-Gehalt | |
heißwasserlöslicher Kohlenstoff (CHWL) | Din Iso 10694 (1996), VDLUFA-Methodenvorschrift | |
Bodenbiologische Parameter | ||
mikrobielle Biomasse (Cmic) | ||
ß-Glucosidaseaktivität (EC 3.2.1.2) | ||
Arginin-Ammonifikation (EC 3.4.--) | ||
Lumbriciden | ||
Die statistische Auswertung erfolgt mit dem Statistikprogramm SAS (SAS, 1999) nach dem allgemeinen linearen Modell („GLM“-Prozedur). Folgende Signifikanzniveaus (Tuckey-Test) werden festgelegt: p > 0,05 nicht signifikant, p < 0,05 signifikant. Signifikante Unterschiede sind anhand der verschiedenen Kleinbuchstaben erkennbar. Sie lassen sich in den Wertetabellen der jeweiligen Untersuchungsparameter finden. Um Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Parametern feststellen zu können, findet die Regressionsanalyse Anwendung. Die statistische Prüfung des Bestimmtheitsmaßes (R2) erfolgte durch den F-Test, die der Regressionskoeffizienten mit dem t-Test (Fα, tα).
Zur Charakterisierung des Bodengefügezustandes stehen verschiedene Parameter zur Verfügung. Es sollten jedoch mindestens ein Kriterium für den Verdichtungszustand und ein Leitfähigkeitsparameter genutzt werden (Lebert et al., 2006). In Tab. 3 sind Trockenrohdichte und gesättigte Wasserleitfähigkeit aller untersuchten Bodentiefen der drei Varianten dargestellt. Bereits nach vier Versuchsjahren weisen die Baumarten im Vergleich zur Ackernutzung in 0–6 bzw. 16–22 cm Bodentiefe infolge des mehrjährigen Lockerungsverzichts signifikant höhere Trockenrohdichten (+ 0,12 – 0,19 g cm–3) auf. Dagegen unterscheiden sich die TRD-Werte in Unterkrume und Krumenbasis mit Ausnahme bei der Pappel (vorbelasteter Pflugsohlenbereich) nicht wesentlich.
Tab. 3. Trockenrohdichte und gesättigte Wasserleitfähigkeit nach Aufforstung mit Pappeln und Weiden im Vergleich zur Ackerfläche
Soil bulk densities and saturated hydraulic conductivity after afforestation with poplars and willows compared to arable land
Parameter und Bodentiefe [cm] | Acker | Pappel | Korbweide |
Trockenrohdichte [g cm–3] | |||
0–6 | 1,22 b | 1,39 a | 1,40 a |
16–22 | 1,26 b | 1,38 ab | 1,45 a |
24–30 | 1,35 b | 1,52 a | 1,38 b |
32–38 | 1,35 ab | 1,40 a | 1,32 b |
Gesättigte Wasserleitfähigkeit [cm d–1] | |||
0–6 | 52 a | 17 a | 2 b |
16–22 | 154 a | 53 ab | 3 b |
24–30 | 76 a | 2 b | 10 b |
32–38 | 12 a | 13 a | 22 a |
Unterschiedliche Buchstaben kennzeichnen statistisch gesicherte Unterschiede (p < 0,05) zwischen den verschiedenen Varianten innerhalb einer Tiefenstufe | |||
Umgekehrt vermindert der Anbau von Weide und Pappel die Wasserleitfähigkeit in der Krume. Im krumennahen Unterboden treten dagegen verglichen mit der Ackernutzung keine größeren Abweichungen auf. In der Krumenbasis kann bei der Pappelnutzung ein Rückgang der gesättigten Wasserleitfähigkeit auf 13 cm d–1 beobachtet werden. Kritische kf-Werte < 10 cm d–1 treten nicht auf. Selbst bei diesen geringen kf-Werten ist noch eine ausreichende Wasserableitung gewährleistet. Als problematisch sind die geringen gesättigten Wasserleitfähigkeiten unter Weide in 0–6 und 16–22 cm Bodentiefe und in 24–30 cm unter Pappel zu bewerten. Untersuchungen zur Wechselwirkung zwischen gesättigter Wasserleitfähigkeit und Trockenrohdichte ergeben eine negative Korrelation (R2 = 0,39*; n = 20; * p < 0,01) für beide Prüfparameter. Eine eindeutige Zuordnung bestimmter kf-Werte zur Trockenrohdichte fällt aber schwer, da die Werte aufgrund von Wurzelgängen und Wurmröhren stark variieren.
Die Abb. 1 veranschaulicht die gemessenen Corg-Gehalte der drei Versuchsvarianten. Nach vier Versuchsjahren treten unter der Korbweide im Vergleich zur Referenzfläche Acker signifikante Veränderungen im Corg-Gehalt auf. In 0–5 cm erhöhte sich unter Weide der organische Kohlenstoffgehalt um mehr als 10% auf 2,41%. Bei der Pappel blieben die Corg-Gehalte in gleicher Tiefe nach der relativ kurzen Versuchsdauer noch unverändert. Differenzierungen zwischen Ackernutzung und dem Anbau der Energiehölzer sind auch in der Mittel- und Unterkrume erkennbar. So liegen die Werte für den organischen Kohlenstoffgehalt ~0,20 bis 0,50% unter der Ackernutzung. Bei den Energiehölzern bildet sich somit ein deutlicher Tiefengradient heraus, während unter Ackernutzung eine weitgehend homogene Verteilung vorliegt.
Abb. 1. Organischer Kohlenstoffgehalt unter Acker, Pappel und Weide in Bad Lauchstädt
Soil organic carbon under arable land, poplar and willow in the Bad Lauchstädt experiment.
Die absoluten Mengen des heißwasserlöslichen Kohlenstoffs (Chwl) der untersuchten Böden verhalten sich ähnlich wie die Gesamtgehalte an organischem Kohlenstoff. Die Regressionsanalyse bestätigt zudem eine enge Beziehung zwischen dem heißwasserlöslichen Kohlenstoff und der mikrobiellen Biomasse (R2 = 0,81***; n = 25, *** p < 0,0001). Der Anteil leicht abbaubarer Verbindungen an der organischen Bodensubstanz verhält sich in der Oberkrume in der Reihenfolge: Ackernutzung < Pappel < Weide (Abb. 2). Mit zunehmender Bodentiefe sinken die heißwasserlöslichen Kohlenstoffgehalte unter allen Nutzungsvarianten. Insbesondere die Korbweide weist dabei einen deutlich ausgeprägten Tiefengradienten auf.
Abb. 2. Einfluss der Baumarten auf den heißwasserlöslichen Kohlenstoff nach vier Versuchsjahren
Effects of tree species on changes of hot water carbon of the soil after four years.
Statistisch gesicherte Unterschiede zwischen der Ackernutzung und der schnellwachsenden Baumart Weide liegen für die mikrobielle Biomasse vor (Tab. 4). Die Weide ist dabei durch eine fast doppelt so hohe Menge an mikrobieller Biomasse in der Oberkrume gekennzeichnet. Für die mikrobielle Biomasse unter Pappel konnten im Vergleich mit den anderen Nutzungsarten keine statistisch gesicherten Unterschiede gemessen werden. Es bestehen aber deutliche Tendenzen, die auf eine Verbesserung der mikrobiellen Aktivität im Boden hindeuten. Die Messung des mikrobiellen Biomasse-C ergibt für die Gehölze wieder eine deutliche Differenzierung zwischen Ober- und Unterkrume. In 0–5 cm Bodentiefe ist die mikrobielle Biomasse für Korbweide und Pappel erhöht und nimmt mit der Tiefe kontinuierlich ab. Die vertikale Verteilung der mikrobiellen Biomasse folgt damit der Verteilung des organischen Kohlenstoffs. Die Untersuchungsergebnisse belegen weiterhin eine geringe positive Beziehung zwischen dem Corg-Gehalt und der mikrobiellen Biomasse (R2 = 0,44**; n = 25; ** p < 0,001). Außerdem lässt sich der Cmic-Gehalt aus den Gehalten der Enzyme β-Glucosidase und Arginin-Ammonifikation durch eine logarithmische Gleichung mit einem Bestimmtheitsmaß von R2 = 0,84 (Glucosidase) und R2 = 0,75 (Arginin) beschreiben.
Tab. 4. Einfluss der Baumarten auf den Gehalt an mikrobieller Biomasse vier Jahre nach Aufforstung
Effects of tree species on changes of microbial biomass of the soil four years after afforestation
Parameter und Bodentiefe [cm] | Acker | Pappel | Korbweide |
Mikrobielle Biomasse [µg C g–1 TS] | |||
0–5 | 172,6 b (a) | 230,3 ab (a) | 294,3 a (a) |
5–10 | 199,5 b (a) | 137,9 b (a) | 169,6 b (b) |
10–20 | 183,2 a (a) | 117,2 a (b) | 159,9 a (b) |
20–30 | 184,3 a (a) | 116,8 a (b) | 120,5 a (b) |
30–40 | 106,1 a (a) | 149,2 a (ab) | 81,7 a (b) |
Unterschiedliche Buchstaben zeigen statistisch gesicherte Unterschiede innerhalb der Tiefenstufen (ohne Klammern) und zwischen den Tiefenstufen (mit Klammern) | |||
Die Ackernutzung ist im gesamten Krumenbereich durch mittlere β-Glucosidaseaktivitäten und Arginingehalte gekennzeichnet. Bei den schnellwachsenden Baumarten bildet sich bei beiden Bodenenzymen bereits nach wenigen Jahren ein deutlich ausgeprägter Tiefengradient heraus (Abb. 3 und 4). Die Arginin-Ammonifikation erhöht sich in der Oberkrume im Vergleich zur Ackernutzung unter Pappel und Weide um 42% bzw. 73%. Ist die Oberkrume bei Korbweide und Pappel noch durch sehr hohe Enzymaktivitäten geprägt, zeigen sich in den tieferen Bodenschichten nur noch mittlere β-Glucosidase- und niedrige Arginingehalte. Mit zunehmender Bodentiefe nähern sich die Gehalte der Ackernutzung an.
Abb. 3. Einfluss der Baumarten Pappel und Weide auf die ß-Glucosidaseaktivität im Boden nach vier Versuchsjahren im Vergleich zur Ackernutzung
Effects of tree species poplar and willow of ß-Glucosidase-activity of the soil after four experimental years compared to arable land.
Abb. 4. Arginin-Ammonifikation bei unterschiedlicher Nutzung und Bodentiefe
Arginin-Ammonification of the type of use in different soil depths.
Im Energiepark treten insgesamt sechs für Mitteleuropa typische Regenwurmarten auf (Tab. 5). Jede Variante besitzt dabei eine spezifische Regenwurmfauna. Das Artenspektrum setzt sich in den Korbweide- und Pappelparzellen aus fünf verschiedenen Lumbricidenarten zusammen. Die Ackernutzung weist mit zwei Regenwurmarten die wenigsten Arten auf. Innerhalb der anözischen Lebensform hat Lumbricus terrestris (Linnaeus 1758) die größte Bedeutung, da er unter allen Varianten zu finden ist. Octolasion cyaneum (Savigny 1826) kommt als endogäische Lebensform ebenfalls unter allen Standorten vor. Die weit verbreitete endogäische Art Aporrectodea rosea (Savigny 1826) fehlt in den Proben des Ackerstandortes. Lumbricus castaneus (Savigny 1826), ein typischer Vertreter der Forststandorte mit epigäischer Lebensweise, tritt nur unter der Pappelnutzung auf. Somit ergeben sich unterschiedliche Abundanzanteile der einzelnen Regenwurmarten unter Acker und den Gehölzen (Abb. 5). Die Anzahl der Regenwürmer eignet sich zur Beurteilung der Populationsdynamik, z.B. der Reproduktionsrate. Die Biomasse der Regenwürmer spiegelt die effektive, agrarökologisch relevante Wirkung der Lumbriciden auf den Boden wider. Es zeigen sich eindeutige Unterschiede beim Vergleich der Regenwurmabundanzen und -biomassen für Acker, Korbweide und Pappel. Die in Tab. 6 zusammengefassten populationsbiologischen Größen charakterisieren die Regenwurmbesiedlung. Es ist ersichtlich, dass die Pappelnutzung mit 241 Individuen pro m2 die höchste Besiedlungsdichte aufweist, gefolgt von der Weide mit 160 Individuen pro m2. Die Ackernutzung zeigt die geringste Regenwurmabundanz (26 Ind. m–2). Die Biomassen der Lumbriciden unter den Gehölzen verhalten sich jedoch nicht synchron ihrer Abundanzwerte. Die höchste Biomasse konnte mit 126 g m–2 unter der Baumart Weide ermittelt werden. Ebenfalls hohe Werte lassen sich bei der Pappelnutzung feststellen (108 g m–2). Besonders auffallend sind die hohen durchschnittlichen Individuengewichte von L. terrestris mit 5,11 g (n = 18 adulte Lumbriciden) unter der Korbweide. Dort konnte auch das größte Einzelwurmgewicht von 7,49 g festgestellt werden. Die gute Nahrungsgrundlage ist dafür verantwortlich, dass auch unter Pappel (3,99 g durchschnittliches Individuengewicht; n = 13 adulte Lumbriciden) und Acker (3,13 g; n = 2 adulte Lumbriciden) hohe durchschnittliche Individuengewichte von L. terrestris auftreten. Auf allen Varianten finden sich mehr juvenile als adulte Tiere. Da juvenile anözische und epigäische Regenwürmer zum Teil nicht voneinander unterschieden werden können, werden sie der Gruppe der L.- (Lumbricus) juvenilen zugeordnet. Aporrectodea- und Octolasion- Juvenile gehören der endogäischen Lebensweise an. Für Acker und Pappel ist der Anteil juveniler Regenwürmer fünfmal höher als der Anteil der adulten Tiere. Die Korbweide zeigt dreimal mehr juvenile als adulte Lumbriciden. Dabei gilt folgende Reihenfolge: Pappel (199 Ind. m–2) > Weide (121 Ind. m–2) > Ackerland (22 Ind. m–2).
Tab. 5. Charakterisierung der Regenwurmpopulation (Lebensformen, Arten, Abundanz (Individuen m–2), Biomasse (g m–2)) unter Acker, Weide und Pappel in Abhängigkeit von pH- und Corg-Werten vier Jahre nach Aufforstung
Characterization of the earthworm population (life forms, species, abundance (individual m–2) and biomass (g fresh weight m–2) under arable land, willow and poplar according to soil pH-values, and Corg-contents four years after afforestation
Acker | Pappel | Korbweide | |||||
pH-Wert (0–40 cm) | 5,7 | 6,1 | 5,9 | ||||
Corg (0–40 cm) | 2,00 | 1,66 | 1,83 | ||||
Artenanzahl | 2 | 5 | 5 | ||||
Lebensform | Art | Abundanz | Biomasse | Abundanz | Biomasse | Abundanz | Biomasse |
Epigäisch | L. castaneus | 1 | 0,2 | ||||
Endogäisch | A. rosea | 18 | 5,76 | 17 | 4,42 | ||
O. cyaneum | 2 | 2,66 | 7 | 11,34 | 1 | 1,93 | |
O. lacteum | 3 | 4,05 | 1 | 1,87 | |||
Anözisch | L. terrestris | 2 | 6,26 | 13 | 51,87 | 18 | 91,98 |
A. longa | 2 | 2,96 | |||||
Gesamt | 4 | 8,92 | 42 | 73,22 | 39 | 103,16 | |
L. juvenile | 13 | 4,85 | 101 | 27,68 | 54 | 19,15 | |
A./O. juvenile | 9 | 2,26 | 98 | 7,65 | 67 | 4,16 | |
Gesamt | 26 | 16,03 | 241 | 108,55 | 160 | 126,47 | |
Abb. 5. Individuendominanz der Lumbriciden unter Acker, Weide und Pappel
Percentage frequency distribution of the lumbricids under arable land, willow and poplar.
Tab. 6. Matrix zur Bewertung des Lumbricidenvorkommens anhand ökologischer Parameter nach folgender Einteilung:
Bodenfeuchte: B0 – trockener Standort, B1 – mittlere Bodenfeuchte, B2 – hohe Bodenfeuchte
pH-Wert: P0 – < 3.5–4.5, P1 – 4.6–6.5, P2 – > 6.5
Corg-Wert (%): H0 – < 1.0–2.3, H1 – 2.4–4.0, H2 – > 4.0
(Tischer, 2008)
Matrix of ecological requirements of common earthworm species with respect to humidity, pH and Corg. The range values are following:
Soil humidity: B0 – dry habitat, B1 – medium humidity,
B2 – high humidity
pH-value: P0 – < 3.5–4.5, P1 – 4.6–6.5, P2 – > 6.5
Corg-content (%): H0 – < 1.0–2.3, H1 – 2.4–4.0, H2 – > 4.0 (Tischer, 2008)
Vorgefundene Art | Standortansprüche | ||
Bodenfeuchte | pH-Wert | Corg | |
Aporrectodea caliginosa | B0, B1 | P1, P2 | H0, H1, H2 |
Aporrectodea rosea | B0, B1 | P1, P2 | H0, H1, H2 |
Aporrectodea longa | B0, B1 | P1, P2 | H0, H1, H2 |
Lumbricus castaneus | B1, B2 | P1 | H1, H2 |
Lumbricus terrestris | B0, B1 | P1, P2 | H0, H1, H2 |
Octolasion cyaneum | B0, B1 | P1, P2 | H0, H1, H2 |
Das Vorkommen der Regenwürmer ist neben dem Anbausystem von Bodenfeuchte (B), Corg-Gehalt (H) und pH-Wert (P) abhängig. Nach einer Matrix von Tischer (2008) werden die drei ökologischen Parameter neben den Populationskennwerten zur Bewertung des Lumbricidenvorkommens an einem Standort herangezogen. Anhand des Bewertungsschemas können auch die im Energiepark gefundenen Lumbriciden den ökologischen Standortparametern zugeordnet werden. Der Schwarzerde Standort Bad Lauchstädt ist grundsätzlich als Trockenstandort einzustufen (Körschens und Pfefferkorn, 1998; Symbol B0). Die pH-Werte der untersuchten Varianten schwanken zwischen 5,5 und 7,4 (Tischer et al., 2006; Symbol P1, P2). Die Corg-Gehalte liegen im Energiepark in einem Bereich von 0,94 bis 2,41% (Symbol H0, H1). Die Tab. 6 zeigt die Standortansprüche der im Energiepark vorgefundenen Regenwürmer nach Tischer (2008). Es fällt auf, dass alle vorgefundenen Arten aufgrund ihrer Ansprüche am Standort zu erwarten waren, ausgenommen die tiefgrabende Art L. castaneus. Sie kommt auf der Pappelvariante vor und profitiert als Art der humusreicheren und feuchteren Standorte von deren Anbau.
Die Aufforstung ehemals landwirtschaftlich genutzter Böden mit schnellwachsenden Gehölzen im Kurzumtrieb lässt, bedingt durch das Ausbleiben der Bodenbearbeitung in Verbindung mit der auf der Bodenoberfläche verbleibenden Streu eine weitgehende Umstellung physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse im Boden erwarten.
Bereits vier Jahre nach dem Wechsel der Bodennutzung ändern sich die physikalischen Bodeneigenschaften unter den Energiehölzern insbesondere in der Oberkrume. So lassen sich signifikant höhere Trockenrohdichten für Weide und Pappel belegen. Nach Petelkau (1987) liegt der obere Grenzwert für die optimale Lagerungsdichte am Standort Bad Lauchstädt bei ~1,40 g cm–3. Diese Werte werden jedoch nur von der Pappel in 24–30 cm Tiefe deutlich überschritten. Vermutlich liegt hier eine ältere nicht regenerierte Pflugsohle vor. In den anderen Bodenschichten kann die höhere Dichte durch Erhöhung der Porenanteile zwischen 0,2 und 50 µm (= nutzbare Feldkapazität) sogar zu einem größeren Wasserspeichervermögen führen. Die Dichtlagerung unter den Bäumen begründet sich durch das Eigengewicht des Bodens, den Einfluss von Niederschlagswasser (Schaaf, 1998) und mechanische Belastungen bei der Bewirtschaftung (Rücknagel und Christen, 2009). Insgesamt stellt sich so ein Kräftegleichgewicht zwischen den Belastungen und der Eigenstabilität des Bodens ein. Über ähnliche Entwicklungen im zeitlichen Verlauf unter Pappeln berichtet Makeschin (1994). Die Dichtlagerung unter Pappel und Weide im Energiepark wurde durch die unterlassene Bodenbearbeitung im Gegensatz zum Ackerland nicht wieder aufgelockert. Einer Kompaktierung kann prinzipiell auch durch die Anreicherung von organischer Bodensubstanz entgegen gewirkt werden (Ulrich, 2008). Coleman et al. (2004) und Kahle et al. (2007) begründen die geringeren Dichten in der Krume unter Energiehölzern im Gegensatz zur Ackernutzung vor allem durch die Anreicherung mit organischer Substanz. Es ist aber auch bekannt, dass mechanische Belastung, z.B. beim Befahren mit landwirtschaftlichen Maschinen, die positiven Effekte der organischen Substanz nivellieren können (Eden et al., 2009). Die relativ große Dichtedifferenz zwischen den Energiehölzern und dem Ackerland begründet sich auch aus dem Anbau von Winterraps als Referenzfruchtart. Fruchtarten mit Pfahlwurzelsystem sowie längerer Bodenruhe und Beschattungsintensität, wie Winterraps wird in Grenzen eine gefügestabilisierende bzw. -regenerative Wirkung zugeschrieben (Paul, 2002).
In der Krumenbasis unterscheiden sich die Trockenrohdichten mit Ausnahme bei Pappel nicht wesentlich. Insbesondere unter Korbweide besteht eine Tendenz zur Auflockerung. Dies zeigt sich auch an den Werten für die gesättigte Wasserleitfähigkeit. Hierfür scheint die Grab- und Wühltätigkeit der Bodentiere von entscheidender Bedeutung zu sein. Die bis zu drei Meter tiefgrabende Lumbricidenart Lumbricus terrestris, die unter den Dauerkulturen Weide und Pappel vermehrt gefunden wurde, legt ein stabiles und kontinuierliches Porensystem im Boden an und verändert dadurch das Bodengefüge (Joschko und Brunotte, 2005). Die vorgefundenen Wurzel- und Regenwurmgänge fördern die Durchlässigkeit des Bodens für Wasser. In der Regel überwiegt die vertikale Wasserleitfähigkeit entsprechend der Richtungsorientierung der Wurm- und Wurzelröhren. Demgegenüber sind die äußerst geringen kf-Werte in der Krume bei den Weiden ein Hinweis auf das Vorliegen einer schädlichen Bodenverdichtung. In dem isotropen, durch Lockerung geprägten Gefüge der Ackervariante wird die Wasserleitfähigkeit stark durch die Räume zwischen den Aggregaten geprägt und steht in engerem Zusammenhang mit dem absoluten Anteil an Grobporen (Schmitt et al., 2006).
Es ist weitgehend wissenschaftlicher Konsens, dass die organische Bodensubstanz aufgrund ihrer ökologischen Funktionen, insbesondere der Beeinflussung fast aller umwelt- und ertragsrelevanten Bodenparameter und -prozesse zu den bedeutendsten Indikatoren für Bodenqualität und Nachhaltigkeit zählt (Monreal et al., 1997; Reeves, 1997; Liebig und Doran, 1999). Die organische Bodensubstanz ist daher ein maßgebender bodenchemischer Parameter bei Langzeituntersuchungen und ein bedeutender Index für Bodenveränderungen. Im Gegensatz dazu erlauben bodenmikrobiologische Untersuchungen frühzeitige Prognosen über die Entwicklung der Humusdynamik nach einer Nutzungsänderung. Der mikrobielle Biomassegehalt sowie die leicht umsetzbaren organischen Verbindungen, die in Form des heißwasserextrahierbaren Kohlenstoffs bestimmt werden (Rogasik et al., 2005), gelten dabei als besonders sensitive Indikatoren für Änderungen im Humuspool, da Zu- und Abnahmen weitaus schneller eintreten als beim gesamten organischen Kohlenstoff (Powlson et al., 1987; Kandeler et al., 1995; Sparling, 1997; Tebbe et al., 2002). Eine Bewirtschaftungsumstellung kann aber auch zu Veränderungen im Boden führen, die mit Verschiebungen im Artenspektrum der Mikroorganismen einhergehen. Durch die Messung mikrobieller Stoffwechselleistungen in Form von Bodenenzymen können bereits nach kurzer Versuchsdauer Veränderungen zuverlässig erfasst werden. Die Enzyme des Kohlenstoffkreislaufes (β-Glucosidase) und des Stickstoffkreislaufes (Arginin-Ammonifikation) eignen sich besonders gut für die Beurteilung veränderter Umweltbedingungen (Tischer, 2000).
Die vorgestellten Untersuchungen belegen signifikant erhöhte Corg-Gehalte in 0–5 cm Bodentiefe für Weide im Vergleich zur Ackernutzung. Bei der Pappel sind in der Oberkrume noch keine Veränderungen im Corg-Gehalt messbar. Eine Begründung für die Differenzierung zwischen den Baumarten findet sich möglicherweise in der Streuzusammensetzung und der Abbaurate. So fanden Stetter und Makeschin (1999) größere Abbauraten unter Schwarzpappeln als unter Weiden.
Unter Berücksichtigung der gemessenen Trockenrohdichte ergeben sich für die Tiefe von 0–10 cm nach 4 Versuchsjahren Gesamtgehalte an organisch gebundenem Kohlenstoff für Weide und Pappel von 31,2 t ha–1 bzw. 27,5 t ha–1. Somit kann gegenüber der Ackernutzung (25,3 t ha–1) ein theoretischer Corg-Gewinn von 5,9 (Weide) bzw. 2,2 t ha–1 (Pappel) nach 4 Versuchsjahren errechnet werden. Bei einem Blattanfall von 1–3 t ha–1 (Makeschin, 1994) bzw. einer mittleren jährlichen Corg-Anlieferung von 0,9 t ha–1 (Verwijst und Makeschin, 1996, zitiert in Kahle und Boelcke, 2004) sowie einer angenommenen Abbaurate von 60–70% (Sauerbeck, 1992) kann mit einem Corg-Gewinn von 1,1 bis 1,4 t ha–1 gerechnet werden. Die gemessenen Werte übersteigen die berechneten Werte somit deutlich. Ursache dafür könnte ein erheblich höherer Anfall an Streu im vorliegenden Versuch sein. Die Streumengen wurden jedoch nicht ermittelt. Zudem bleiben bei der Kalkulation die Mengen an Feinwurzeln und die Streuqualität unberücksichtigt. So kann der Streuabbau durch erhöhte C/N-Verhältnisse in der Blattstreu verzögert werden (Kahle et al., 2007).
Die anfallende Streumenge reicht zur Erklärung der Corg-Anreicherung im Oberboden allein jedoch nicht aus, denn mit dem Anbau von Ackerkulturen wie Winterraps können ebenfalls 1 t TM ha–1 a–1 Ernte- und Wurzelrückstände sowie 8 t TM ha–1 a–1 Stroh auf dem Feld verbleiben (Heyland, 1996). Ein wesentlicher Grund für vorgefundene Corg-Anreicherung im oberen Krumenbereich dürfte in der unterlassen Bodenbearbeitung unter Kurzumtriebsplantagen liegen. Hier ergibt sich eine Analogie mit unterschiedlichen Bodenbearbeitungssystemen. In Direktsaat- oder Minimalbodenbearbeitungsversuchen wird regelmäßig über höhere Corg-Gehalte in der Oberkrume gegenüber konventioneller Pflugbearbeitung berichtet (Rasmussen, 1999) und auch eine C-Akkumulation bei reduzierter Bearbeitungsintensität ist standort- und klimaabhängig möglich (Hofmann et al., 2009).
In den unteren Krumenbereichen ergaben sich für Pappel und Weide im Vergleich zur Ackernutzung niedrigere Werte im Corg-Gehalt. Über das gesamte Tiefenprofil (0–40 cm) führt der Anbau der Energiehölzer damit nicht zur Akkumulation sondern gegenteilig zur Verringerung der Corg-Vorräte. Unter Berücksichtigung der gemessenen Trockenrohdichte ergeben sich Gesamtgehalte an organisch gebundenem Kohlenstoff von 96,7 t ha–1 bei Pappel, 89,8 t ha–1 bei Weide und 102,6 t ha–1 bei Ackernutzung. Einen ausgeprägten Tiefengradient beim Corg-Gehalt mit Anreicherungen in der Oberkrume und im Vergleich zur Ackernutzung äquivalenten Corg-Gehalten in der Unterkrume fanden auch Makeschin (1994), Coleman et al. (2004) und Kahle et al. (2007).
Im Gegensatz zu den Ergebnissen im Energiepark Bad Lauchstädt finden die genannten Autoren aber eine Gesamtzunahme über das Tiefenprofil. Auf Schwarzerden, mit ihrem hohen ökologischen Pufferungsvermögen, werden Änderungen des Corg-Gehaltes oft erst nach 10 Jahren und mehr erwartet (Körschens und Schulz, 1999). Auch in Minimalbodenbearbeitungsversuchen von Hofmann et al. (2009) dauerte die Einstellung eines Gleichgewichtzustandes in der unteren, nicht mehr bearbeiteten Ackerkrume 20 bis 25 Jahre. Dementsprechend konnte sich in der kurzen Versuchsdauer unter den Bäumen, insbesondere der Pappel, noch kein endgültiges und auf die veränderte Nutzungsrichtung abgestimmtes Gleichgewicht im Humushaushalt einstellen. Es bleibt also offen, ob sich langfristig durch weitere Corg-Anreicherung in der Oberkrume eine Akkumulationswirkung einstellt.
Weitaus deutlichere Veränderungen konnten beim Anbau der schnellwachsenden Gehölze durch eine signifikante Zunahme der Chwl-, Cmic-, ß-Glucosidase- und Arginin-Gehalte im Oberboden im Vergleich zur Ackernutzung festgestellt werden. Dies unterstreicht, dass die bodenmikrobiologischen Parameter sensitiv auf kurzfristige Veränderungen im Boden reagieren. Es stellte sich bei allen bodenchemischen und bodenbiologischen Parametern ein deutlich ausgeprägter Tiefengradient ein. Unter Pappel und Weide konnte ab 10 cm Bodentiefe ein Rückgang der biologischen Aktivität beobachtet werden. Ekenler und Tabatabai (2003) untersuchten die Veränderung der mikrobiellen Biomasse und β-Glucosidaseaktivitäten auf verschiedenen Bodenbearbeitungssystemen („no till“ und „chisle plow“). Dabei waren die mikrobielle Biomasse und die Glucosidaseaktivität in 0–5 cm signifikant höher als in 0–15 cm Bodentiefe. Auch Dutzler-Franz (1977) untersuchte eine Vielzahl von Böden auf Enzymaktivitäten und stellte fest, dass nur in den obersten 30 cm nennenswerte Enzymgehalte vorliegen. Bedingt durch die schlechteren Luftverhältnisse und durch Mangel an Nahrung in der Unterkrume können die bodenbiologischen Prozesse reduziert werden (Schinner und Sonnleitner, 1996; Gisi et al., 1997).
Lumbriciden haben eine große Bedeutung für bodenbildende Prozesse. Sie werden oft als Bioindikatoren zur Beschreibung des biologischen Bodenzustandes herangezogen (Tischer, 2005), da sie sich verhältnismäßig leicht fangen lassen, hohe Biomassen besitzen und ein überschaubares Artenspektrum aufweisen. Die Bestimmung von Besiedlungsdichte, Individuendominanz, Biomasse pro Individuum und die charakteristische Zusammensetzung des Artenspektrums von Lumbriciden geben Hinweise zur biologischen Aktivität eines Standortes. Der Vergleich mit der Ackerfläche zeigt für Pappel und Weide bereits nach wenigen Versuchsjahren ein deutlich verändertes Artenspektrum. Aus der vormals arten- und individuenarmen Ackernutzung konnte sich schon in kurzer Zeit unter den Gehölzen eine an die Standortverhältnisse und die Nutzung angepasste Lumbricidenzönose entwickeln. Nach Ehrmann (1995) ist eine Zunahme der Regenwurmpopulation nach Nutzungsumstellung auch wahrscheinlich, da ungünstige Lebensbedingungen (Bodenbearbeitung, Pflanzenschutz) für die Lumbriciden mit Beginn des Anbaus schnellwachsender Gehölze entfallen. So konnte auch Makeschin (1994) drei Jahre nach der Aufforstung mit Weiden und Pappeln im Vergleich zur Ackernutzung erhöhte Regenwurmabundanzen und -biomassen nachweisen. Zwischen den schnellwachsenden Baumarten Weide und Pappel konnten auch Unterschiede hinsichtlich der Anzahl der Lumbriciden und deren Biomasse festgestellt werden. Zu ähnlichen Ergebnissen kam Makeschin (1994). Dabei wurden signifikante Unterschiede zwischen den beiden schnellwachsenden Baumarten festgestellt. Begründet werden die höheren Individuenzahlen unter Weiden mit einer verbesserten Wasserführung und -verfügbarkeit, die durch eine geringere Interzeption von Niederschlägen bei der Baumart Weide zustande kommt.
Der Anbau von Energieholz im Kurzumtrieb führt auch auf dem Schwarzerde-Standort Bad Lauchstädt, mit seinem hohen natürlichen Ertrags- und ökologischen Pufferungspotential bereits nach kurzer Versuchsdauer zu Veränderungen physikalischer, chemischer und biologischer Eigenschaften im Boden. Infolge des mehrjährigen Lockerungsverzichts wird das Bodengefüge in der Krume unter Pappel und Weide kompakter (Zunahme der Trockenrohdichte und Abnahme der gesättigten Wasserleitfähigkeit). In der Unterkrume und Krumenbasis treten meist nur geringe Differenzierungen zwischen den Varianten auf. Die schnellwachsenden Baumarten begünstigen die Kohlenstoffakkumulation in der Oberkrume. Im Vergleich zur Ackernutzung folgen die Corg-Gehalte aber einem stärkeren Tiefengradient und liegen in der Unterkrume unter den Werten der Ackernutzung. Damit ergeben sich unter den Baumarten sogar insgesamt niedrigere Gesamtkohlenstoffgehalte. Die Einstellung stabiler Gleichgewichtssysteme auf der Schwarzerde ist jedoch ein langfristiger Prozess, so dass keine endgültige Aussage möglich ist. Mikrobielle Biomasse und Enzymaktivitäten (ß-Glucosidase, Arginin-Ammonifikation) zeigen dagegen bereits einen deutlich ausgeprägten Tiefengradienten und signifikant erhöhte Werte für die Gehölze. Die mehrjährige Bodenruhe fördert in Verbindung mit der Streu das Lumbricidenvorkommen bei den Dauerkulturen.
Insgesamt belegt die vorliegende und umfassende Analyse wichtiger ökologisch relevanter Bodenparameter eine günstige Beeinflussung der Bodenqualität durch den Anbau schnellwachsender Hölzer gegenüber konventionellen Ackerbausystemen am Standort Bad Lauchstädt. Weiterführende Untersuchungen sollten Auskunft über die nutzungsbedingten Langzeitveränderungen geben.
Für die finanzielle Unterstützung dankt die Erstautorin der Deutschen Bundesstiftung Umwelt.
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