Dauerfeldversuche auf dem Versuchsfeld Dahnsdorf unter besonderer Berücksichtigung der Unkrautbekämpfung

Long-term trials on the experimental station Dahnsdorf in special consideration of weed control

Politische Vorgaben zur Reduzierung der Intensität der Pflanzenschutzmittel-Anwendungen, aber auch die Notwendigkeit der Kostensenkung verstärkten national und international Untersuchungen zur Anwendung von reduzierten Herbizidaufwandmengen (Kudsk, 1989; Davis und Whiting, 1990; Gummesson und Fogelfors, 1990; Pallutt und Hofmann, 1990; Salonen, 1990; Christensen, 1993).

In diesen Versuchen mit jährlichem Ortswechsel der Varianten verursachten die reduzierten Herbizidaufwandmengen nur geringe Wirkungs- und Ertragsverluste, so dass daraus die Möglichkeit der Nutzung reduzierter Herbiziddosierungen abgeleitet wurde. Mit einer solchen experimentellen Vorgehensweise können Erkenntnisse zu populationsdynamischen Effekten bei der Verunkrautung nicht gewonnen werden.

Kudsk (1989) regte deshalb an, neben der aktuellen Wirkung auf den Bekämpfungserfolg und den Ertrag auch die Langzeiteffekte zu ermitteln. Die dazu nur vereinzelt durchgeführten Dauerfeldversuche (Wright et al., 1993; Pallutt und Grübner, 2004) belegen, dass der ständige Einsatz stark reduzierter Herbizidaufwandmengen längerfristig zu einer Zunahme der Verunkrautung und durch Selektion schwer bekämpfbarer Arten zu einer unerwünschten Veränderung in der Zusammensetzung der Verunkrautung führen kann.

In Deutschland haben die Bestrebungen zu einer deutlichen Senkung des Pflanzenschutzmittelverbrauchs ihren Niederschlag im Reduktionsprogramm chemischer Pflanzenschutz (BMVEL, 2004), welches die Begrenzung der Anwendung von Pflanzenschutzmitteln auf das notwendige Maß zum Ziel hatte, gefunden.

Aus diesen Gründen erfolgte – ausgehend von den an den Standorten Kötschau und Glaubitz gewonnenen Erfahrungen zur Unkrautbekämpfung, die die Bedeutung von Dauerfeldversuchen zur Ableitung von Aussagen zur Nachhaltigkeit der verschiedenen Maßnahmen zur Unkrautbekämpfung aufzeigten, –im Herbst 1995 an dem Standort Dahnsdorf die Anlage eines Dauerfeldversuches, der einen Strategievergleich zu umweltverträglichen Methoden des Pflanzenschutzes ermöglicht.

Er umfasste den Vergleich zwischen dem integrierten und dem ökologischen Pflanzenbau mit den dazugehörigen Maßnahmen des integrierten Pflanzenschutzes und den Pflanzenschutzmaßnahmen des Ökologischen Landbaues. Hierbei wurden beim integrierten Anbau Herbizide und Fungizide im Getreide und Herbizide und Insektizide im Raps als Prüffaktoren einbezogen.

Darüber hinaus wurden in den darauf folgenden Jahren weitere den Pflanzenschutz betreffende Dauerfeldversuche angelegt:

2 Material und Methoden

Abb. 1. Luftbild vom Versuchsfeld Dahnsdorf (2009).

Der im Fläming liegende Standort mit 88 m über NN weist eine der Landschaft entsprechende starke Heterogenität auf, die typisch für durch die Eiszeit geprägte Gebiete ist. Der Fläming entstand aus einer Endmoräne der Saale-Eiszeit, die nach deren Ende durch Sandlöss unterschiedlicher Korngrößenzusammensetzung und unterschiedlicher Höhe überlagert wurde.

Daraus resultiert ein Boden, der im Mittel:

und einen pH-Wert von 5,8 aufweist.

Das Flurstück wurde bei der Reichsbodenschätzung mit einer Bodenzahl von 48 bewertet, wobei die Bodenzahl etwa zwischen 30 und 55 schwankt.

Klima:

Als Referenzstation für die durchschnittliche Jahrestemperatur wurde die meteorologische Station Potsdam genutzt, die für den Zeitraum 1971-2000 ein Jahresmittel der Lufttemperatur von 9,0 °C aufweist.

Als Referenzstation für die durchschnittliche Jahresniederschlagssumme boten sich die Messstellen

an. Erstaunlicherweise schwanken die mittleren Niederschlagssummen dieser drei Stationen, die sich etwa 5 bis 15 km entfernt vom Versuchsfeld befinden, beträchtlich.

Die eigenen Messungen auf dem Versuchsfeld weisen im Mittel von 1997-2009 für die Jahresdurchschnittstemperatur 9,5 °C und für die Jahresniederschlagssumme 587 mm aus.

Die Witterungsschwankungen zwischen den einzelnen Jahren sind beträchtlich. So differierte die mittlere Jahrestemperatur zwischen 8,6 °C (1997) und 10,2 °C (2008). Die Differenzen im mittleren Jahresniederschlag fielen mit 392 mm (2003) und 787 mm (2007) noch höher aus. Die Abweichungen von den langjährigen monatlichen Mittelwerten erwiesen sich als wesentlich stärker. So lag z. B. die monatliche Niederschlagssumme im April 2007 bei 0,6 mm (2 % zum Mittel) und im Juli 2007 bei 133 mm (222 % zum Mittel). Diese Witterungsschwankungen beeinflussten erwartungsgemäß das Pflanzenwachstum, das Schaderregerauftreten und daraus folgend die Erträge in einem erheblichen Ausmaß.

Insgesamt betrachtet kann der Standort für etwa ein Drittel der Ackerfläche der neuen Bundesländer als repräsentativ gelten.

untersucht.

Der im Vergleich dazu angelegte Ökologische Landbau bestand aus den Fruchtfolgefeldern Luzerne/Klee/Gras – Luzerne/Klee/Gras (ab 2004 Winterraps) – Winterweizen – Kartoffeln – Winterroggen – Wintergerste (ab 2002 Sommergerste).

Jedes Fruchtfolgefeld wurde jedes Jahr angelegt und in den einzelnen Wiederholungen randomisiert, um systematische Überlagerungen mit dem Boden und der Witterung zu vermeiden.

Als Prüffaktoren und Prüfglieder kamen im integrierten Anbau zur Anwendung:

Die Faktorstufe von 50 % von „situationsbezogen“ wurde gewählt, um einerseits die langfristigen Auswirkungen der häufig gestellten Forderung nach Halbierung des Herbizidverbrauchs zu ermitteln und andererseits Effekte reduzierter Aufwandmengen von Pflanzenschutzmitteln statistisch gesichert quantifizieren zu können. So können im Feldversuch infolge vielfältiger Ursachen der Streuung meist nur Differenzen zwischen den Prüffaktoren gesichert werden, wenn eine größere Abstufung besteht.

Ein Fruchtfolgefeld hatte folgende Abmessungen:

25 m breit x 34 m lang = 850 m²

Daraus ergaben sich für die Großteilstücke (Faktor A) 425 m² (12,5 m x 34 m) und für die Kleinteilstücke 80 m² (5 m x 16 m). Die Prüfmerkmale wurden im Kernbereich der Varianten (44 m²) ermittelt (Abb. 2).

Abb. 2. Schema eines Fruchtfolgefeldes.

Als Versuchsanlage diente eine zweifaktorielle randomisierte Spaltanlage mit vier Wiederholungen, wobei in der getreidebetonten Fruchtfolge infolge der vorhandenen höheren Bodenheterogenität ab 1998 zwei weitere Wiederholungen hinzukamen.

In der ersten Rotation wurden Getreide und Raps in der Stufe situationsbezogener Anwendung der Pflanzenschutzmittel mit 120-180 kg mineralischem Stickstoff und in der Stufe 50 % von situationsbezogen mit der Hälfte gedüngt.

Da die gemessenen Effekte damit nicht eindeutig den Pflanzenschutzmaßnahmen zugeordnet werden konnten, wurde mit Beginn der 2. Rotation (2002) eine einheitliche aber um 20 % geringere N-Düngung vorgenommen.

Da sich der Unkrautauflauf und das Unkrautwachstum zwischen den Varianten „unbehandelte Kontrolle“ und „Fungizidanwendung“ sowie den Prüfgliedern „Herbizid­anwendung“ und der Kombination „Herbizid- und Fungizidanwendung“ nur marginal unterschieden, wurden Mittelwerte aus den im Sinne der Herbizidanwendung jeweils unbehandelten und behandelten Varianten gebildet.

Die biometrische Auswertung erfolgte wegen der unterschiedlichen N-Düngung in den zwei Fruchtfolgerotationen für jede Rotation getrennt.

Hierbei wurden beim Unkrautwachstum und den Erträgen die Zeiträume 1997-2001 und 2002-2007 und beim Unkrautauflauf infolge der bewirtschaftungsbedingten Nachwirkungen die Zeiträume 1997-2002 und 2003-2008 verglichen.

Als biometrisches Verfahren diente für den Unkrautauf­lauf der Vergleich der Dichte bedeutsamer Unkrautarten innerhalb der Fruchtfolgerotation mit Hilfe von paarweisen t-Tests zum Signifikanzniveau α = 0,05 einseitig (d. h. α = 0,1 zweiseitig). Der herbizidbedingte Mehrertrag wurde je Stufe der Herbizidintensität mit Hilfe von Welch-Tests innerhalb jeder Fruchtfolgerotation zum einseitigen Signifikanzniveau α = 0,05 verglichen und ebenso zwischen den Fruchtfolgerotationen.

Die Methodik zur Erfassung und statistischen Auswertung sowie die Darstellung und Interpretation der Ergebnisse von Krankheiten und tierischen Schaderregern werden in den Beiträgen von Jahn, Freier und Kühne dargelegt (Journal für Kulturpflanzen 62 (7 und 9), 2010).

Die herbizidbedingten Langzeitwirkungen auf den Unkrautauflauf resultierten mit fortschreitender Versuchsdauer immer weniger aus der herbiziden Wirkung in der Vorfrucht sondern aus kumulativen Effekten im gesamten Fruchtfolgeablauf, so dass zur Ableitung genereller Aussagen zum Einfluss halbierter Herbizidaufwandmengen auf die Entwicklung der Verunkrautung die Mittelwerte aus allen Getreidearten gebildet wurden.

Die geringeren Bekämpfungserfolge der halben Herbizidaufwandmenge hatten allmählich einen im Vergleich zur situationsbezogenen Herbiziddosierung höheren Unkrautauflauf zur Folge. In der 1. Rotation wurde dieser Effekt von der Wirkung der unterschiedlichen N-Düngung auf das Unkrautwachstum überlagert. Deutliche Differenzen beim Auflauf dikotyler Unkräuter (Summe aller Arten) traten erst im 6. Versuchsjahr auf. Diese Unterschiede blieben in den folgenden sechs Jahren annähernd stabil. Ähnlich verhielt sich der Auflauf von Viola arvensis. Die Anwendung der halben Aufwandmenge förderte allerdings Matricaria spp. und Centaurea cyanus wesentlich stärker (Abb. 3 und Abb. 4). Der drastische Anstieg von Centaurea cyanus, welche zu Versuchsbeginn nur vereinzelt vorkam, wurde erst im 12. Versuchsjahr (2007) beobachtet. Nach der Neuausrichtung des Versuches am Ende der zweiten Rotation erfolgte die Herbizidanwendung mit Intensitätsstufen, die sich nur noch um ca. 25 % unterschieden. Unter diesen Bedingungen blieben die im Verlauf der ersten 12 Jahre aufgebauten Langzeiteffekte bezogen auf den Auflauf von Matricaria spp. und Centaurea cyanus in den folgenden zwei Jahren erhalten.

Abb. 3. Einfluss der Herbizidaufwandmenge auf den Auflauf von Matricaria-Arten in Wintergetreide (Mittel von Weizen, Gerste und Roggen).

Abb. 4. Einfluss der Herbizidaufwandmenge auf den Auflauf von Centaurea cyanus in Wintergetreide (Mittel von Weizen, Gerste und Roggen).

Apera spica-venti reagierte bereits seit dem 4. Versuchsjahr mit deutlichen Unterschieden im Auflauf auf die beiden Herbiziddosierungen. Die Differenzen waren vom 6. bis 9. Versuchsjahr am ausgeprägtesten und gingen anschließend wieder zurück. Die Halbierung der Herbizidaufwandmenge führte in allen Getreidearten zu einem Anstieg der Verunkrautung im Vergleich zur situationsbezogenen Dosierung (Tab. 2). Infolge der hohen räumlichen Variabilität der Verunkrautung ließen sich in der 1. Rotation meist nur die Differenzen im Mittel der Getreidearten sichern. Die Signifikanz der Unkrautzunahme fiel in der 2. Rotation infolge der stabilisierten Differenzen und den einsetzenden Langzeitwirkungen stärker aus.

Die herbizidbedingten Mehrerträge nahmen in allen Getreidearten mit der Versuchsdauer zu (Tab. 3 und Tab. 4). Dies betraf insbesondere den signifikanten Anstieg der Mehrerträge durch die Anwendung der situationsbezogenen Herbizidaufwandmenge von der 1. zur 2. Fruchtfolgerotation bei Weizen und Gerste.

In der 1. Rotation reagierten Gerste und Roggen auf die Anwendung der halben Herbizidaufwandmenge mit tendenziell höheren Mehrerträgen im Vergleich zur Anwendung der situationsbezogenen Aufwandmenge. Geringere Mehrerträge im Vergleich zur situationsbezogenen Dosierung verursachte die halbe Herbizidaufwandmenge erst in der 2. Rotation. Diese waren aber nur in Weizen und Gerste signifikant.

Die durch die Anwendung reduzierter Herbizidaufwandmengen verursachte Selektion einzelner Unkrautarten hängt im Wesentlichen vom vorhandenen Unkrautartenspektrum, den Wachstumsbedingungen des jewei­ligen Standortes, der Fruchtfolge, der Grundbodenbearbeitung, dem Niveau der N-Düngung und dem Wirkungsspektrum der Herbizide ab. Während auf dem Standort Dahnsdorf Matricaria spp. und Centaurea cyanus durch ständige Anwendung halbierter Herbizidaufwandmengen gefördert wurden, betraf es auf dem Standort Glaubitz unabhängig von der Fruchtfolge Galium aparine und bei nichtwendender Bodenbearbeitung Matricaria inodorum sowie Galium aparine (Pallutt und Grübner, 2004). Eine sichere Abschätzung dieser Selektionsprozesse erfordert Versuchszeiträume von 15 bis 20 Jahren. In solche Untersuchungen ist auch die Erfassung einer aufwandmengenbedingten Herbizidresistenz einzuschließen, die bei dauerhafter Anwendung reduzierter Aufwandmengen entstehen kann (Gressel, 1995; Neve und Powles, 2005). Prädisponiert dafür sind insbesondere getreide­betonte Fruchtfolgen mit einer einseitigen Her­bizid­anwendung (Drobny et al., 2006). Für die Herausbildung von herbizidresistenten Unkräutern scheint jedoch die Herbizidaufwandmenge einen wesentlich geringeren Einfluss zu haben als eine Herbizidanwendung mit Wirkstoffen, die den gleichen Wirkungsmechanismus besitzen. So wurde nach 12jähriger Anwendung stark reduzierter Aufwandmengen bei Resistenztests mit Fenoxaprop-P, Isoproturon, Iodosulfuron + Mesosul­furon, Flupyrsulfuron, Sulfosulfuron, Propoxycarbozone, Diflufenican + Flurtamone, Pendimethalin und Flufenacet gegen Apera spica-venti meist ein hoher Wirkungsgrad ermittelt (Menne, 2007). Nur vereinzelt wurde eine verringerte Sensitivität gegenüber Sulfosulfuron, eine leicht verringerte gegenüber Isoproturon in einem spe­ziellen Test bei Bayer CropScience festgestellt.

Der Mehrertrag stieg infolge der stetig zunehmenden Verunkrautung auf den dazugehörigen unbehandelten Kontrollen nur in den Varianten mit situationsbezogener Herbiziddosierung deutlich an. Somit können halbierte Herbizidaufwandmengen nicht dauerhaft die Konkurrenzwirkung der Unkräuter ausreichend eindämmen. In einer dreijährigen Versuchsserie unter ähnlichen Standortbedingungen führte die Anwendung stark reduzierter Herbizidaufwandmengen in allen Wintergetreidearten nur zu unbedeutenden Ertragsverlusten (Pallutt, 1994), da in Versuchen mit Ortswechsel der Varianten die kumulativ entstehenden Langzeitwirkungen nicht gemessen werden können.

Über fünf Jahre laufende Dauerversuche in England mit einer kommerziell empfohlenen und einer dazu um 50% reduzierten Herbizidaufwandmenge zeigten auf einem Standort mit starker Verunkrautung erst im 5. Jahr einen Ertragsabfall nach Anwendung der halben Aufwandmenge (Wright et al., 1993).

Kurzfristig, d. h. in Zeiträumen bis zu ca. sechs Jahren, besteht häufig die Möglichkeit halbierte Herbizidaufwandmengen zur Unkrautbekämpfung in Getreide zu nutzen. Längerfristig können reduzierte Aufwand­mengen aber nur im Rahmen von situationsbezogenen Herbiziddosierungen, deren Aufwandmenge im Einzelfall 50 bis 100 % der zugelassenen Dosis beträgt, erfolgreich angewandt werden. Eine solche Vorgehensweise gewährleistet eine meist hinreichende herbizide Wirkung und Ertragssicherung. Sie ist aus ökologischen und ökonomischen Gründen geboten. Routinemäßige Senkungen der Herbizidaufwandmenge stellen aufgrund der großen Schwankungen im Wirkungsgrad ein wirtschaftliches Risiko dar. Langfristig führen sie zu einer stärkeren Verunkrautung mit vor allem schwerer bekämpf­baren sowie teilweise resistenten Unkräutern und daraus resultierend zu Mindererträgen sowie wirtschaftlichen Verlusten.

Unkrautbedingte Ertragsverluste verursachen ferner Stickstoffüberhänge und dadurch beträchtliche Verminderungen der Effizienz der N-Düngung (Deike et al., 2006). Darüber hinaus bedingt die Nichtausschöpfung des Ertragspotenzials eine Verringerung der Energieeffizienz und eine Erhöhung des CO₂-Ausstoßes je Dezi­tonne Getreide (Deike et al., 2008).

Infolge der Laufzeiten von teilweise deutlich unter 20 Jahren erfüllten die Versuche auf dem Gebiet des Pflanzenschutzes bezüglich der Versuchsdauer die allgemein für Dauerfeldversuche gestellten Anforderungen bisher nur teilweise. Dabei ist aber anzumerken, dass für die Erarbeitung von Erkenntnissen zur bewirtschaftungs­bedingten Veränderung bei der Verunkrautung Zeiträume von 30 bis 70 Jahren, wie sie zur Ermittlung bewirtschaftungsbedingter Veränderungen im Humusgehalt nach Einstellung von Fließgleichgewichten benötigt werden, hier nicht notwendig erscheinen. So können erste populationsdynamische Veränderungen bei der Verunkrautung hinsichtlich der Unkrautdichte und Zusammen­setzung der Unkrautflora bereits nach 3 bis 5 Jahren nachgewiesen werden. Allerdings erlaubten Versuche zur Wirkung reduzierter Herbizidaufwandmengen auf dem Standort Glaubitz selbst nach 17 Jahren noch keine abschließende Bewertung populations­dynamischer Zusammenhänge. Als Ursache ist hierfür zu nennen, dass neben der Wirkung der Bewirtschaftungs- und Bekämpfungsstrategien interspezifische Wirkungen zwischen den Unkrautarten zu Wechselwirkungen führen, die selbst nach einem langen Zeitraum noch nicht vollständig erkannt wurden. Erschwerend kommt hierbei noch die Überlagerung mit den Standortbedingungen hinzu. Damit erscheinen Übertragungen der Ergebnisse auf Standorte mit anderen Boden- und Klimabedingungen sehr fragwürdig. Dies trifft auch auf Prognosen zur Unkrautentwicklung über den untersuchten Zeitraum hinaus zu.

Möglich sind aber allgemeine Aussagen zur Unkrautentwicklung bei ständiger Nutzung reduzierter Herbizidmengen. Infolge der Wirkungsverluste bei Anwendung reduzierter Herbizidaufwandmengen kommt es im Laufe der Zeit zu Selektionseffekten, indem die weniger gut bekämpfbaren Arten allmählich einen immer größeren Anteil innerhalb der Unkrautflora einnehmen. Dies kann selbst mit einem systematischen Wirkstoffwechsel nur teilweise unterbunden werden.

Solche Wirkungen können in Versuchen mit Orts­wechsel der Versuche bzw. der Varianten und selbst bei Versuchsserien, die über sehr lange Zeiträume angelegt werden, nicht ermittelt werden. Mit einer solchen Vorgehensweise stellen sich keine kumulativen Effekte ein, die aber zur Beurteilung der Nachhaltigkeit von Unkrautbekämpfungsstrategien zu berücksichtigen sind. Das Ausmaß, die Geschwindigkeit und die Art und Weise der kumu­lativen Effekte hängen vor allem von der Ausgangsverunkrautung, der Fruchtfolge, der Bodenbearbeitung und den Standortbedingungen ab.

Dauerfeldversuche können aber auch zur Ermittlung des langfristigen Einflusses des Pflanzenschutzes bzw. differenzierter Pflanzenschutzstrategien auf die Ressourceneffizienz, d. h. die Flächenproduktivität und daraus ableitend die Stickstoff- und Energieeffizienz, genutzt werden. Infolge der dafür betrachteten erst 12jährigen Zeitspanne des Dauerfeldversuches an dem Standort Dahnsdorf lassen sich bisher nur vorläufige Aussagen treffen, da anzunehmen ist, dass bisher keine neuen variantenbedingten Fließgleichgewichte im Humusgehalt entstanden sind. Andererseits kann aber vermutet werden, dass sich differenzierte Pflanzenschutzstrategien weniger auf die Veränderung des Humusgehaltes im Boden auswirken als differenzierte Fruchtfolgen, Düngungsregime und Bodenbearbeitungssysteme. So wurden bis zum 12. Versuchsjahr keine Differenzen im Humus­gehalt zwischen den Varianten „unbehandelte Kontrolle“ und „Herbizid + Fungizid bzw. Insektizid“ ermittelt.

Im langjährigen Durchschnitt führte die gezielte Anwendung von Herbiziden und Fungiziden bzw. Insekti­ziden zu einem Mehrertrag von ca. 5 dt/ha Raps und ca. 18 dt/ha Getreide. Hieraus ergibt sich eine mittlere jährliche Differenz im N-Saldo von ca. 25 kg N/ha und, bezogen auf den ganzen Zeitraum, von ca. 300 kg N/ha. Damit trägt eine gezielte Anwendung von Pflanzenschutzmitteln zu einer deutlichen Verbesserung der Stickstoffbilanz bei, wodurch Stickstoffverluste und damit Austräge des Stickstoffes in andere Ökosysteme vermindert werden. Die auf die gezielte Anwendung von Pflanzenschutzmitteln zurückzuführenden Ertragssteigerungen sind auch mit einer Erhöhung der Energieeffizienz verbunden (detaillierte Ausführungen zur Stickstoff- und Energieeffizienz siehe Deike in diesem Heft).

Hier ist in weiteren Untersuchungen zu prüfen, inwieweit die pflanzenschutzmittelbedingten Effizienzsteigerungen den Humusgehalt im Boden beanspruchen oder ob die Verbesserung der Ressourceneffizienz vorrangig auf die Verringerung von Stickstoffverlusten in Form vermin­derter Auswaschungen in das Grundwasser bzw. verminderter gasförmiger Stickstoffverluste zurückzuführen ist.