Einfluss der Witterung auf Biomassebildung und N-Aufnahme von Zwischenfrüchten sowie deren Wirkung auf Bodenwasser- und N_min-Gehalt in Norddeutschland

Effect of weather variables on biomass production and N uptake of catch crops, and their influence on soil water and N_min content in Northern Germany

Material und Methoden

Abb. 1. Lage der Versuchsstandorte in Norddeutschland 2012/13 – 2014/15.

Vorfrüchte waren Winterweizen (Triticum aestivum L.) oder Wintergerste (Hordeum vulgare L.). Die darauffolgend angebauten Zwischenfrüchte waren ein nematodenresistenter Weißer Senf (Sinapis alba, Resistenznote 2) sowie eine Artenmischung, bestehend aus Alexandrinerklee (Trifolium alexandrinum), Blauer Lupine (Lupinus angustifolius), Felderbse (Pisum sativum), Phacelia (Phacelia tanacetifolia), Ramtillkraut (Guizotia abyssinica), Rauhafer (Avena strigosa) und Saatwicke (Vicia sativa). Nur im zweiten Versuchsjahr war in der Mischung zusätzlich ein geringer Anteil an Weißem Senf enthalten. Als Kontrolle diente eine Strohmulchvariante, in der das auflaufende Ausfallgetreide im Herbst durch ein bis zwei Arbeitsgänge mit einem Grubber eingearbeitet wurde. Die Aussaat der Zwischenfrüchte erfolgte praxisüblich zwischen Ende Juli und Ende August (Tab. 1), nachdem der Boden ein- bis zweimal mit Grubber oder Scheiben­egge bearbeitet worden war. Die Zwischenfrüchte sowie die Strohmulchvariante wurden mit 40 kg N ha^–1 gedüngt. Zwischen Ende Oktober und Mitte November wurde der Zwischenfruchtaufwuchs gehäckselt und auf der Boden­oberfläche belassen (Tab. 1).

Der Versuch war als Blockanlage mit drei Wiederholungen angelegt. Die Parzellen waren standortspezifisch 8–12 m lang und 9–12 m breit. In jeder Umwelt wurden die Witterungsparameter Lufttemperatur und Globalstrahlung in 2 m Höhe sowie Niederschlag in 1 m Höhe gemessen.

Der gravimetrische Wassergehalt wurde durch Trocknung von ca. 100 g feldfeuchtem Boden bei 105°C bestimmt. Aus dem gravimetrischen Wassergehalt vor Zwischenfruchtanbau in der Bodentiefe 0–30 cm wurde die pflanzenverfügbare Wassermenge bei Aussaat in mm umweltspezifisch unter Berücksichtigung von Bodenart, Lagerungsdichte und Humusgehalt berechnet (Wessolek et al., 2009).

In einer Korrelationsanalyse zwischen Witterungsparametern und Biomasse bzw. N-Aufnahme der Senf-Zwischenfrucht wurden zunächst Korrelationskoeffizienten nach Pearson (PROC CORR) berechnet. Als Witterungsparameter wurden neben der pflanzenverfügbaren Boden­wassermenge in 0–30 cm Bodentiefe bei Aussaat Lufttemperatur, Niederschlag und Globalstrahlung der jewei­ligen Umwelt verwendet (Tab. 2). Um mögliche Zusammenhänge in verschiedenen Zeiträumen der Vegetationsperiode des Senfs zu erfassen, wurden neben dem Saattermin für die Zeiträume mit variabler Länge (Aussaat bis 20.10., Aussaat bis 30.09. des jeweiligen Jahres) Mittelwerte der drei Witterungsgrößen berechnet. Für die gewählten Zeiträume mit einheitlicher Länge (1.–5., 6.–18. und 19.–31. Tag nach Saat, 1.–20.10.) wurden Summen gebildet. Bei in Abhängigkeit vom Saattermin variabler Länge des Zeitraums gibt der Mittelwert die Inten­sität des Witterungsparameters präziser wieder als dessen Summe, ohne von der Zeitdauer überprägt zu werden. Gleichzeitig erwies sich in einer ersten Gegenüberstellung der Mittelwert der Witterungsparameter enger mit der Biomasse korreliert als die aufsummierten Tageswerte (nicht dargestellt). Die Zeiträume wurde so gewählt, damit auch für die Umwelt mit dem spätesten Satttermin (Schladen 12/13, 30.08.) eine überlappungsfreie Abgrenzung zum Betrachtungszeitraum 1.–20.10. möglich war.

Im nächsten Schritt wurden multiple lineare Regres­sionen mit der Biomasse der Senf-Zwischenfrucht als abhängi­ger Variable berechnet, in die zunächst alle Witterungsparameter mit signifikantem Korrelationskoeffizienten eingesetzt wurden. Dabei wurde zur Vermeidung von in der Regel auftretenden Autokorrelationen aus jedem Betrachtungszeitraum jeweils nur der Parameter mit dem höchsten Korrelationskoeffizienten verwendet. Schrittweise wurde der Parameter mit der jeweils höchsten Irrtumswahrscheinlichkeit aus dem Regressionsmodell entfernt, bis alle verbliebenen Parameter signifikant waren. Das absolute Glied wurde auch bei fehlender Signifikanz stets beibehalten. Im abschließenden Schritt wurde der mittels der Daten der Senf-Zwischenfrucht kalibrierte Algo­rithmus genutzt, um berechnete Biomasse-Werte den gemessenen Werten der Artenmischung gegenüberzustellen. Die Regressionsanalysen wurden mittels der Software SigmaPlot (Version 13, Systat Software Inc., San Jose, CA, USA) durchgeführt, mit der auch die Abbildungen erstellt wurden.

Einfache lineare Korrelationen wurden zwischen Zwischenfrucht-Biomasse bzw. N-Aufnahme und Boden-N_min-Gehalt vor Winter bzw. dessen Verminderung durch Zwischenfruchtanbau gegenüber Strohmulch berechnet.

Aus dem Zeitraum von Aussaat bis zum 20.10. korrelierten die Mittelwerte von Lufttemperatur und Globalstrahlung signifikant mit der Senf-Biomasse, aus dem Zeitraum von Aussaat bis 30.09. das Mittel des Niederschlags und der Globalstrahlung (Tab. 4). Übereinstimmend damit ergaben sich signifikante Korrelationen der zuvor genannten Parameter zur Senf-Biomasse im Zeitraum 1.–5. Tag nach Aussaat. Demgegenüber war im Zeitraum 6.–18. Tag nach Aussaat kein Witterungsparameter mit der Biomassebildung des Senfs korreliert und im Zeitraum 19.–31. Tag nach Aussaat nur der Summenwert der Lufttemperatur. Dies galt auch für den Zeitraum 1.–20.10. Die Bildung eines Summenparameters aus pflanzenverfügbarem Bodenwasser in 0–30 cm Bodentiefe und Niederschlag in verschiedenen Zeiträumen ergab keine signifikante Beziehung zur Biomasse der Zwischenfrucht (nicht gezeigt). In fünf Fällen von signifikanter Korrelation zur Biomasse war auch die Korrelation des jeweiligen Witterungsparameters zur N-Aufnahme signifikant, in fünf weiteren Fällen war allerdings entweder die Beziehung zur Biomasse oder zur N-Aufnahme signifikant. Die Parameter N-Aufnahme und Biomasse korrelierten mit r = 0,874 signifikant miteinander. Darüber hinaus traten zahlreiche Korrelationen der Witterungsparameter untereinander auf (Tab. 4).

In der multiplen Regressionsanalyse erwiesen sich von anfangs fünf berücksichtigten Witterungsparametern und dem konstanten Glied zwei Witterungsparameter und das konstante Glied als signifikant (Abb. 2):

Abb. 2. Gemessene und berech­nete Biomassebildung von Senf und Mischung in 15 Umwelten Nord­deutschlands 2012/13 – 2014/15. Die Daten Senf zeigen das Ergeb­nis der Kalibrierung (Biomasse Senf (Mg ha^–1) = –2,937 + 1,16 Niederschlagsmittel Aussaat-30.09. (mm d^–1) + 0,021 Luft­­temperatursumme 19–31 Tage nach Aussaat (°C d), alle Koeffi­­zienten signifikant, r² = 0,7***, RSME = 0,649 Mg ha^–1, N = 15). Für die be­rechneten Daten Mi­schung wurden die Witterungsparameter derselben Umwelten verwendet und der dort gemessenen Biomasse der Mischung gegen­übergestellt (y = 0,779 + 0,77x, r² = 0,63***, N = 14).

Die Witterungsparameter der jeweiligen Umwelt wurden zur Berechnung der Biomasse der Variante Mischung (y) verwendet und der dort gemessenen Biomasse (x) gegenübergestellt (Abb. 3):

Abb. 3. Einfluss der Biomasse der Zwischenfrucht auf die relative Verminde­rung des Nmin-Gehaltes (0–90 cm) vor Winter durch Zwischenfruch­tanbau gegenüber Strohmulch (Punkte = Senf, Dreiecke = Mischung). Die ge­strichelten Linien geben das Konfidenzintervall an (p ≥ 95%).

In allen Zwischenfruchtvarianten stieg der gravimetrische Wassergehalt des Bodens im Mittel der Umwelten vom Probenahmetermin vor zum Termin nach Zwischenfruchtanbau an. Nachfolgend veränderte er sich bis zum Frühjahrstermin gegenüber dem Herbst nicht (Tab. 5). Die geringsten Wassergehalte wurden in Uelzen 12/13 und die höchsten in Schladen 12/13 gemessen. Während zum Termin vor Zwischenfrucht nur in den beiden Umwelten Göttingen A 13/14 und Uelzen 14/15 uneinheitlich signifikante Unterschiede zwischen den Zwischenfruchtvarianten vorlagen, wies der Boden nach Stroh­mulch zum Termin nach Zwischenfrucht in 8 Umwelten den signifikant höchsten Wassergehalt auf. Demgegenüber war der Effekt der Zwischenfrucht nach Winter in keiner Umwelt signifikant. Im Mittel über alle Umwelten traten zu keinem Termin signifikante Unterschiede zwischen den Zwischen­fruchtvarianten auf (Tab. 5). Signifikante Korrelationen zwischen dem Wassergehalt vor Winter bzw. dessen Veränderung gegenüber dem Gehalt vor Zwischenfruchtanbau und der Zwischenfrucht-Biomasse traten nicht auf (nicht gezeigt).

Im Mittel der Umwelten stieg der N_min-Gehalt in der Variante Strohmulch vom Termin vor Zwischenfrucht zur Probenahme im Herbst nach Zwischenfrucht um 40 kg N ha^–1 deutlich an, während er durch Zwischenfruchtanbau um 15–25 kg N ha^–1 abgesenkt wurde (Tab. 6). Nach Senf war der N_min-Gehalt vor Winter um ca. 15 kg N ha^–1 signifikant niedriger als nach Mischung. Die höchsten N_min-Gehalte wurden in Schladen 12/13, die geringsten Werte in Jeinsen 13/14 gemessen. Während sich vor Zwischenfruchtanbau die Zwischenfruchtvarianten nur in drei Umwelten uneinheitlich signifikant unterschieden, lag der N_min-Gehalt in 13 Umwelten nach Strohmulch
signifikant am höchsten. Weder die Biomasse noch die N-Aufnahme der Zwischenfrucht korrelierten weder mit der absoluten Höhe des N_min-Gehaltes vor Winter, noch mit dessen Verminderung gegenüber dem Termin vor Zwischenfrucht, noch gegenüber Strohmulch zum Mess­termin nach Zwischenfrucht (Tab. 7). Allein die relative Verminderung des Nmin-Gehaltes der Zwischenfrucht­varianten gegenüber Strohmulch zum Termin vor Winter zeigt eine schwach signifikante Abhängigkeit von der Höhe der Zwischenfrucht-Biomasse mit einem Bestimmtheitsmaß von r² = 0,15 (Abb. 3).

Dabei korrelierte der Saattermin trotz der weiten Varia­tion nicht signifikant mit der Zwischenfrucht-Biomasse. Auch andere Witterungsparameter, die von der Länge der Vegetationszeit in den warmen und strahlungsreichen Abschnitten der Vegetationszeit im August und September geprägt waren, standen trotz variabler Länge im vorliegenden Datensatz in keiner signifikanten Beziehung zur Biomasse (z.B. Temperatursumme von Aussaat bis 30.09.) oder wiesen eine weniger enger Korrelation zur Biomassebildung der Zwischenfrucht auf als der Mittelwert des jeweiligen Parameters (z.B. Globalstrahlung von Aussaat bis 30.09., nicht gezeigt). Aus dem Abschnitt der Vegetationsperiode bis Ende September blieb allein das Tagesmittel des Niederschlags als signifikante Einflussgröße in der multiplen Regression erhalten. Demgegenüber stand der pflanzenverfügbare Bodenwassergehalt in 0–30 cm Bodentiefe zur Aussaat nicht in Beziehung zur Biomassebildung und auch die Summierung von Wassergehalt und Niederschlag erbrachte keine signifikante Korrelation. Bei stärkerer zeitlicher Untergliederung des günstigen Vegetationsabschnitts bis maximal Ende September bzw. die Hinzunahme des Zeitraums vom 1. bis zum 20.10. blieb in der multiplen Regression nur die Temperatursumme in den letzten ca. zwei Wochen des 31-tägigen Zeitraums nach der Aussaat als signifikant erhalten (19.–31. Tag nach Aussaat). Dieser Zeitraum befand sich in der Mehrzahl der Umwelten um die Mitte des Monats September. Die multiple Regression erklärte 70% der Variation der Biomassebildung des Senfs und ergab auch bei Gegenüberstellung mit den Messdaten der Zwischenfrucht-Mischung ein Bestimmtheitsmaß von 63%. Eine umfangreichere Validierung an einem vollständig unabhängigen Datensatz steht jedoch noch aus.

Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass unter den hinsichtlich Temperatur und Einstrahlung günstigen Bedingungen bis Ende September die Höhe der Niederschläge Biomassebildung und N-Aufnahme stoppelgesäter Zwischenfrüchte nach Getreide unter norddeutschen Klima­bedingungen maßgeblich bestimmt. Zusätzlich ist bei den häufig anzutreffenden späteren Saatterminen der Zwischenfrucht ab dem 20.08. die Temperatur um die Mitte des Monats September von erheblichem Einfluss. Demgegenüber waren unter anderen Umwelt- und Anbau­bedingungen ausschließlich das Aussaatdatum (Brant et al., 2011; Teixeira et al., 2016) bzw. die Temperatursumme (Björkman et al., 2015; Komainda et al., 2016) maßgeblich für die Höhe der Biomassebildung der Zwischenfrüchte. Jedoch weisen auch Allison et al. (1998) und Liu et al. (2015) auf die wachstumsbegrenzende Wirkung eines geringen Niederschlags unter englischen bzw. mittel- und südschwedischen Bedingungen hin.

Ein signifikant geringerer Bodenwassergehalt vor Winter in den Varianten mit Zwischenfruchtanbau gegenüber Strohmulch war zumeist in Umwelten mit einem niedrigen Ausgangswassergehalt vor Zwischenfruchtanbau in Relation zur Feldkapazität und gleichzeitig ausreichend hohen Niederschlägen im Vegetationszeitraum sowie einer kräftigen Biomassebildung > 2 Mg ha^–1 zu verzeichnen (z.B. Jeinsen 13/14, Göttingen A 13/14). Die Höhe der Biomassebildung als alleiniger Parameter korrelierte demgegenüber nicht mit Zwischenfrucht bedingten Differenzen im Bodenwassergehalt. Im Gegensatz dazu beton­ten Allison et al. (1998) die Bedeutung der Höhe der Biomassebildung von Zwischenfrüchten für den Boden­wassergehalt im November auf englischen Standorten, die eine geringere Wasserspeicherfähigkeit als die meisten Böden in der vorliegenden Studie aufwiesen. Des Weiteren ist bei der Bewertung des Zwischenfrucht­effektes auf den Wasserhaushalt zu berücksichtigen, dass auch in der Variante Strohmulch der Aufwuchs von Ausfallgetreide und Unkräutern je nach Intensität mechanischer oder chemischer Kontrollmaßnahmen eine erheb­liche Transpiration aufweisen kann. Darüber hinaus können unproduktive Wasserverluste durch Evaporation insbesondere bei wiederholter Bodenbearbeitung im Herbst ähnlich hoch sein wie der Wasserverbrauch durch Zwischenfruchtanbau ist (Bodner et al., 2007; Böttcher et al., 2015).

In den nachfolgenden Wintermonaten fiel in allen Umwel­ten der vorliegenden Studie so viel Niederschlag, dass bei Aussaat der Zuckerrübe im Frühjahr keine Unter­schiede im Bodenwassergehalt zu finden waren. Dies bestätigen auch Untersuchungen von Allison et al. (1998) und Böttcher et al. (2015). Allerdings ist auf tiefgründigen, hoch speicherfähigen Böden (hohe nutzbare Feldkapazität, z.B. 250 mm auf 1 m Bodentiefe) bei stärkerer Ausschöpfung des Bodenwasservorrats durch Vorfrucht und Zwischenfrucht in Verbindung mit geringen Winterniederschlägen (<< 200 mm) eine nachteilige Wirkung des Wasserverbrauchs der Zwischenfrucht auf die Menge an pflanzenverfügbarem Wasser für die nachfolgende Zucker­rübe nicht auszuschließen, insbesondere wenn in deren Vegetationszeit ebenfalls wenig Niederschlag fällt. Eine derartige Konstellation könnte in Deutschland vor allem in den west- und mitteldeutschen Trockengebieten (Rheinland-Pfalz, Sachsen-Anhalt) auftreten.

Die im Mittel über alle Umwelten gefundene Verminderung des Herbst-N_min-Wertes um 50–60 kg N ha^–1 bei Senf und Mischung gegenüber Strohmulch weist zunächst auf ein deutlich gesenktes potenzielles Risiko der N-Auswaschung durch Zwischenfruchtanbau hin, wie es in zahlreichen Studien aus gemäßigten Klimabereichen gefunden wurde (siehe Übersichtsartikel Blanco-Canqui et al., 2015; Constantin et al., 2010). Allerdings ist einschränkend auf die mineralische N-Düngung von 40 kg N ha^–1 auch in der Variante Strohmulch hinzuweisen. Bei unterlassener mineralischer N-Düngung gemäß den Regeln des „Greening“ (DirektZahlDurchfV, 2014) ist eine geringere Verminderung des N_min-Gehaltes vor Winter durch Zwischenfruchtanbau gegenüber Strohmulch zu erwarten, wenngleich dies in zusätzlichen Untersuchungen an einzelnen Standorten nicht zu verzeichnen war (nicht gezeigt).

In einer Korrelationsanalyse erwiesen sich die mittlere tägliche Niederschlagsmenge nach Aussaat der Zwischen­frucht bis Ende September und die Lufttemperatur um die Monatsmitte des Septembers als maßgebliche Einflussgrößen auf die oberirdische Biomassebildung der Zwischenfrüchte bis Anfang November. Obwohl der Aussaattermin im vorliegenden Datensatz vom 24.7. bis zu 30.8. variierte, fand weder dieser Parameter noch fanden die Summenwerte von Temperatur und Globalstrahlung Eingang in die interaktiv abgeleitete multiple Regression. Trotz des maritim geprägten Klimas ist demzufolge die Wasserversorgung im hinsichtlich Temperatur und Einstrahlung günstigen Zeitraum bis Ende September ein limitierender Faktor für das Zwischenfruchtwachstum in Norddeutschland. Diese Zusammenhänge geben wichtige Hinweise für die Entwicklung bzw. Kalibrierung eines Zwischenfrucht-Wachstumsmodells.

Der Wasserverbrauch der geprüften nicht winterharten Zwischenfrüchte verminderte unter den gegebenen Anbau- und Niederschlagsbedingungen die Wasserverfügbarkeit für nachfolgende Sommerkulturen im Vergleich zu Stroh­mulch nicht. Sowohl der Senf als auch die Leguminosen enthaltende Artenmischung senkten den Boden-N_min-Gehalt vor Winter deutlich ab. Damit ist zunächst von einem geringeren Risiko der Nitratauswaschung während der Wintermonate auszugehen. Dennoch kann bei einem frühen Häckseltermin sowie milder und nasser Winterwitterung eine N-Mineralisation stattfinden, die das Auswaschungsrisiko erheblich steigert.

In eine Gesamtbewertung des Zwischenfruchtanbaus in derzeit praxisüblicher Form müssen weitere Aspekte wie Nematodenkontrolle, Lachgasfreisetzung, Humus­gehalt, Bodenstruktur, Erosionsschutz und Biodiversität einbezogen werden.