Wurzeleinflüsse auf hydraulische Bodeneigenschaften

Die Stabilisierung und Verbesserung physikalischer und hydraulischer Bodeneigenschaften sind eine wesentliche Aufgabe für Landwirtschaft, Bodenschutz und Wasserwirtschaft angesichts fortschreitender Bodendegradation. Pflanzen sind dabei ein entscheidender Einflussfaktor auf die Bodenstruktur und Porosität, wobei besonders das Wurzelsystem eine zentrale Rolle spielt. Dennoch haben Wurzeleffekte auf das Porensystem und die hydraulischen Bodeneigenschaften wesentlich weniger Aufmerksamkeit erhalten als chemische und biologische Prozesse in der Rhizosphäre. Sowohl geeignete experimentelle Methoden als auch Modellierungsansätze sind bisher wenig entwickelt. Dies führt zu einer Reduktion der Pflanze in Bodenwasser-Simulationen auf einen Senkenterm, der dem System Wasser entzieht, während Wurzeleinflüsse auf das Porensystem selbst und ihre Folgen für die hydraulischen Eigenschaften nicht in Betracht gezogen werden. Das vorliegende Projekt hat ausgehend von einem interdisziplinären Ansatz aus Wurzelforschung, Bodenphysik, Hydraulik und Agrarwissenschaften drei hauptsächliche Zielsetzungen: (i) Die Präsentation eines Modellierungsansatzes, der die Veränderung hydraulischer Bodeneigenschaften unter dem Einfluss externer Einflussfaktoren wie Pflanzenwurzeln beschreiben kann, (ii) die Klärung von Ausmaß, Art und kausaler Struktur der Wurzeleinflüsse auf das Porensystem in einem konzeptionellen Modell, und (iii) die Untersuchung des Beitrags von Wurzeln als biologische Komponente für ein gezieltes Management der hydraulischen Bodeneigenschaften am Beispiel der Agrarumweltmaßnahme Zwischenfruchtbau. Unser Projekt schlägt als experimentellen Ansatz die Verwendung von Säulenversuchen vor, um Wurzeleinflüsse auf die Fließeigenschaften des Bodens zu studieren. Die Veränderung von Parametern der Porenverteilung wird über ein Modell quantifiziert und kausale Zusammenhänge zwischen Wurzel- und Porendynamik pfadanalytisch erfasst. Beobachtungen unter kontrollierten Laborbedingungen werden mit Feldmessungen verglichen, um Veränderungen in den Wurzel-Poren-Beziehungen durch Umwelteinflüsse zu analysieren. Sowohl für die Säulen- als auch die Feldversuche werden zwei Zwischenfruchtarten (Senf und Roggen) mit unterschiedlichen Wurzelsystemen als Modellpflanzen verwendet und mit einer unbepflanzten Variante verglichen. Schließlich wird die Auswirkung der wurzelinduzierten Veränderungen des Porensystems auf die Bodenwasserdynamik betrachtet, um deren Relevanz für das Boden- und Wassermanagement abzuschätzen. Qualitativ ist die Bedeutung von Pflanzen für Bodenbildung und verschiedene Bodenprozesse bekannt. Von einer quantitativen dynamischen Beschreibung der hydraulischen Bodeneigenschaften wird ein wesentlicher Fortschritt für die Wasserhaushaltsmodellierung erwartet. Darüber hinaus ermöglicht sie eine Analyse der direkten Wirkung von Managementoptionen auf den physikalischen Zustand des Bodens. Durch die Anwendung eines solchen Ansatzes auf die Rolle der Wurzel erwarten wir durch unser Projekt daher die Möglichkeit einer gezielten Berücksichtigung pflanzlicher Komponenten im Boden- und Wassermanagement.

Pflanzenwurzeln können das Volumen schnell wasserleitender aber auch Wasser speichernder Bodenporen erhöhen. Zwar ist die Bedeutung der Wurzeln für die physikalische Qualität von Böden (Aggregate, Poren) anerkannt, jedoch war bisher unklar (i) welche Porenbereiche beeinflusst werden, (ii) ob es dabei Unterschiede zwischen Pflanzenarten gibt und (iii) welche Bedeutung der Wurzel unter landwirtschaftlichen Feldbedingungen zukommt. In Laborversuchen mit Bodensäulen sowie in Feldversuchen wurden die Poreneigenschaften des Bodens ermittelt, um den Einfluss der Wurzel im Vergleich zu einer unbepflanzten Kontrolle zu erfassen. Wurzeln erhöhten das Volumen sowohl von Poren mit weitem Radius (funktionell bedeutend für Wasserleitung) also auch solcher mit feinem Radius (funktionell bedeutend für Wasserspeicherung). Pflanzenarten mit dicken Wurzeln (z.B. Leguminosen) zeigten einen stärkeren Einfluss auf weite Poren, während Arten mit Feinwurzelsystem (z.B. Gelbsenf) verstärkt die feinen Porenanteile förderten. Alle Pflanzenarten stabilisierten das Porensystem gegen Setzungsprozesse. Ein lockerer Boden (etwa nach einer Bearbeitung) kann seine Porosität daher nur erhalten, wenn diese durch Bepflanzung stabilisiert wird. In einem konzeptionellen Modell wurde vorgeschlagen, dass Wurzeln die Lage der festen Bodenpartikel verändern und zu einer stärker strukturierten Lagerung (Heterogenisierung) führen. Dickere Wurzeln können Bodenteilchen direkt umlagern, während Arten mit feinen Wurzeln in Poren einwachsen und durch lokale Austrocknungsprozesse indirekt (über Kapillarkräfte) zu einer Reorganisation der Bodenstruktur beitragen. Ersteres schlägt sich in erhöhtem Grobporenvolumen nieder, letzteres zeigt sich im Feinporenvolumen. Über ein mathematisches Diffusionsmodell wurde versucht die beobachtete Verschiebung in der Porengrößenverteilung zu beschreiben. Damit konnte zwar die Zunahme der Feinporenklassen erfasst werden, nicht jedoch die Zunahme im Grobporenvolumen. Die Modellanwendung zeigte, dass die biologischen Wurzeleinflüsse nicht als ausschließlich physikalischer Prozess gefasst werden können. Über einen längeren Zeitraum (Fruchtfolge) konnte auch im Feldversuch ein Wurzeleffekt nachgewiesen werden. Dieser war jedoch geringer als die Wirkung mechanischer Eingriffe (Bearbeitung) und natürlicher Feuchte-Trockenzyklen. Daraus konnte abgeleitet werden, dass eine möglichst langdauernde aktiv wurzelnde Pflanzendecke erforderlich ist, um die positiven Bodenstruktureffekte zu sichern. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der dauerhaften Bodenbedeckung durch Pflanzen (z.B. Zwischenfrüchte) auf landwirtschaftlich genutzten Flächen als Alternative zu längeren Brachezeiten, um die physikalische Bodengesundheit (Bodenstruktur) zu erhalten.