Mehr Regenwürmer in Agroforstsystemen

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Regenwürmer gelten als Schlüsselindikator für die Bodenfruchtbarkeit. Daher ist es von Bedeutung ihre Anzahl und Artenzusammensetzung zu untersuchen und somit Rückschlüsse auf die Bodenfruchtbarkeit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Systeme ziehen zu können.

Ziel ist es, die Effekte von Agroforstsystemen auf Regenwürmer zu messen und Reinkulturen ohne Gehölze mit Agroforstsystemen vergleichen zu können.

Standort: Forst

Ergebnisse aus dem Poster:

Die Regenwürmer werden auf einem Viertelquadratmetern mit einer organischen Verbindung, die für die Schleimhäute der Regenwürmer leicht reizend wirkt (Allylisothiocyanat (AITC)) aus dem Boden ausgetrieben, mit Wasser abgespült und gesammelt (siehe Bilder im Poster unter „Study design“). Anschließend werden die Tiere im Labor auf Artniveau bestimmt und gewogen. In den Balkendiagrammen im Poster werden die Anzahl der anektischen Regenwürmer (links) und die endogäischen Regenwürmer (rechts) unter drei unterschiedlichen Baumarten und an unterschiedlichen Abständen zur Baumreihen bzw. auf einer nahegelegenen Reinkultur ohne Gehölze dargestellt. Die unterschiedlichen Gruppen der Regenwürmer besiedeln dabei unterschiedliche Bodenschichten:

–> Anektische Regenwürmer legen vertikale Gänge an, welche bis zu 3m in den Boden reichen können und somit die Wasser- und Luftdurchlässigkeit des Bodens fördern.

–> Endogäische Regenwürmer leben in horizontalen, stark verzweigten Gangsystemen im Mineralboden. Ihre hohe Grabaktivität trägt zur Durchmischung des Bodens mit organischer Substanz bei.

Beide im Poster dargestellten ökologischen Gruppen von Regenwürmern profitieren von Agroforstsystemen und ihre Anzahl nimmt innerhalb der Gehölzreihen deutlich zu. Je nach Baumart nimmt die Anzahl an Regenwürmern dabei um das drei- bis zwölffache im Vergleich zur Getreidereinkultur zu. Dabei bleiben die anektischen Regenwürmer nur innerhalb der Baumreihe, die endogäischen Regenwürmer können sich von den Gehölzstreifen auch in die Ackerreihen ausweiten. Fazit ist: Agroforstsysteme fördern Regenwürmer am Standort.

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Mikrobiellen Aktivität und Kohlenstoff-Speicherung steigt in Gehölzstreifen

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Gehölzstreifen verbessern den mikrobielle Biomasse-Kohlenstoff (MBC) und den Bodenorganischen Kohlenstoff (SOC). In einer vorhergehenden Studie von Beuschel et al. 2019 (hier verlinkt) wurden bereits signifikante Unterschiede im Gehölzstreifen in den ersten 5 cm des Bodens festgestellt. Sieben Jahre später sind diese Messungen nun wiederholt worden.

–> Biomasse-Kohlenstoff (MBC): Mikroorganismen spielen eine entscheidende Rolle im Boden und beeinflussen zahlreiche ökologische Prozesse. Der MBC ist dabei eine wichtige Kennzahl zur Bewertung der mikrobiellen Aktivität im Boden. Dieser bezieht sich auf die Menge an Kohlenstoff, die von lebenden Mikroorganismen im Boden gebunden wird. Die MBC-Konzentration im Boden ist ein Indikator für die Menge und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft. Je höher die MBC-Konzentration ist, desto größer ist die Biomasse der Mikroorganismen im Boden. Dies ist wichtig, da die mikrobielle Biomasse eine Schlüsselrolle bei der Zersetzung von organischem Material und der Freisetzung von Nährstoffen spielt.

–> Bodenorganischen Kohlenstoff (SOC): Der SOC hat eine Vielzahl von Funktionen im Boden. Eine seiner Hauptaufgaben ist die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit. Organische Substanzen im Boden tragen zur Entwicklung einer günstigen Bodenstruktur bei, indem sie die Aggregatbildung fördern und die Durchlässigkeit des Bodens verbessern. Eine gute Bodenstruktur fördert auch das Wurzelwachstum und ermöglicht eine effiziente Nährstoffaufnahme durch die Pflanzen. Ein weiterer wichtiger Aspekt des SOC ist seine Rolle im Kohlenstoffkreislauf und beim Klimawandel: organischer Kohlenstoff im Boden wird über einen längeren Zeitraum gespeichert, was zur Kohlenstoffspeicherung beiträgt (Bildquellen: Macrovector auf Freepik und Flaticon.com).

Ziel ist es, zu untersuchen, inwiefern sich mit dem steigenden Alter von Agroforstsystemen die Effekte auf die Mikrobiologie und den Bodenorganischen Kohlenstoff verändern und ob diese Effekte auch in tiefere Bodenschichten reichen.

Standorte: Dornburg, Wendhausen und Forst

Ergebnisse aus dem Poster:

Neben unterschiedlichen Standorteigenschaften (abgebildet in Tabelle 1 mit PH-Werten und Tongehalten) wird deutlich, dass der SOC im Jahr 2022, vor allem in der Baumreihe selbst, höher ist als im Jahr 2015. In Dornburg wurde SOC im Durschnitt um 17%, in Forst um 3% und in Wendhausen um 8% gesteigert. Diese Steigerung konnte dabei  in den oberen Bodenschichten (0-5cm) gemessen werden.

Auch der MBC ist bei den Standorten Forst und Dornburg im Jahr 2022 höher als im Jahr 2015, was auf eine Anreicherung vom Biomasse-Kohlenstoff mit zunehmenden Alter des Agroforstsystems hinweist.

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Erhöhtes Kohlenstoffspeicherpotenzial von Agroforstsystemen

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Gehölze speichern als mehrjährige Pflanzen Kohlenstoff in ober- und unterirdischer Biomasse. Sie dienen somit als Kohlenstoffspeicher. Die Bindung von CO2 aus der Luft ist essentiell, um der Klimaerwärmung entgegen zu wirken.

–> Oberirdische Biomasse:

Stammholz, Kronenderbholz, Äste & Zweige

–> Unterirdische Biomasse:

Grob- & Feinwurzeln

Ziel der Untersuchung ist es, das Kohlenstoffspeicherpotenzial in der Biomasse von Agroforstsystemen zu ermitteln und den Beitrag der einzelnen Anbaukomponenten (Pappel, Fasernessel und einjährige Ackerfrüchte, hier Mais) zu vergleichen

Standort: Wendhausen

Ergebnisse aus dem Poster:

Im Poster ist in Abb. 2 abgebildet, wie Wurzelproben von Fasernessel, Mais und Pappel mittels Bohrstock und Bodenaushub bis zu einer Tiefe von 0,80 bis 1,60m genommen werden. Die Masse der Wurzeln wurde bestimmt und in Tabelle 1 abgebildet (diese wird noch veröffentlicht und ist daher verpixelt). Aus der Tabelle geht hervor, dass die Pappel eine deutlich größere Menge an Wurzelmasse – vor allem an Wurzeln größer als 10mm produziert und in der Summe der Wurzeln deutlich über der Fasernessel und dem Mais liegt.

In Tabelle 3 wird die Menge des Kohlenstoffs abgebildet, die in der Wurzelbiomasse enthalten ist. In den Wurzeln der Pappel wird 49mal mehr Kohlenstoff im Vergleich zur Fasernessel und 42mal mal mehr Kohlenstoff im Vergleich zu Mais gebunden.  Indem Gehölze in Agroforstsystemen Kohlenstoff längerfristig binden, bieten sie eine gute Möglichkeit als Kohlenstoffsenke.

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Zersetzung von Laub in Agroforstsystemen

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Durch Gehölze in Agroforstsystemen fällt pflanzliches Material wie Laub oder Zweige an. Dieses Material wird von Bodenorganismen zersetzt und macht Nährstoffe für Pflanzen wieder verfügbar. Somit stellt die Zersetzung einen wichtigen Prozess im Nährstoffkreislauf dar.

Ziel ist es, die Zersetzung von Laub in Agroforstsystemen und deren Einflussfaktoren zu untersuchen.

Standorte: Dornburg und Wendhausen

Ergebnisse aus dem Poster:

Das Laub wurde in unterschiedlichen Distanzen zur Baumreihe (Baumreihe, 1m, 7m, 24m), in Laubbeuteln gesammelt und anschließend auf die Menge, die Feuchtigkeit und den Nährstoffgehalt untersucht. Diese Untersuchungen fanden an mehreren Tagen statt. Für Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kohlenstoff (C) – drei essentielle Nährstoffe – wurde die Menge für den Standort Dornburg (oben) und Wendhausen (unten) abgebildet. Die Nährstofffreisetzung aus dem Abbau des Laubs in Agroforstsystemen unterscheidet sich bei den beiden Standorten. Vor allem die Wasserverfügbarkeit im Boden und die Feuchtigkeit des Laubs sind wichtige Treiber für den Abbau des Laubs im Agroforstsystem: Desto feuchter das Laub war, umso schneller wurde es zersetzt (abgebildet in dem Streudiagramm rechts / Bild:  juicy_fish auf Freepik).

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Höhere CO2-Aufnahme und verbesserten Wassernutzungseffizienz in Agroforstsystemen

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Um CO2- und latente Wärme-Flüsse auf landwirtschaftlichen Flächen zu messen, benutzt man die Eddy-Kovarianz-Methode. Durch den latenten Wärme-Fluss wird erfasst, wie viel Energie vom verfügbaren Wasser im Ökosystem aufgenommen wird, was eng mit der Verdunstung zusammenhängt. Das Wasser wird durch Verdunstung in Form von Wasserdampf an der Oberfläche und durch Pflanzentranspiration in die Atmosphäre abgegeben. Die Eddy-Kovarianz-Methode liefert eine kontinuierliche Bewertung von Prozessen innerhalb eines Ökosystems, wie zum Beispiel die CO2-Aufnahme oder die Beziehungen zwischen Pflanzen und Wasser, und liefert somit wichtige Informationen über den Kohlenstoff- und Wasserkreislauf (Bild: Universität Hohenheim).

Standort: Wendhausen

Ziel ist es, die CO2- und verdunsteten Wärme-Flüsse zwischen einem Agroforstsystem und einer Reinkultur ohne Gehölze zu vergleichen. Im Rahmen der wissenschaftlichen Untersuchung wurde auch eine kostengünstigere Methode zur Eddy-Kovarianz-Messung im Vergleich zur herkömmlichen Methode getestet.

Ergebnisse aus dem Poster:

Die Unterschiede zwischen der kostengünstigeren und herkömmlichen Eddy-Kovarianz-Methode liegen innerhalb der üblichen Unsicherheiten. Dies deutet darauf hin, dass die kostengünstigere Eddy-Kovarianz-Methode auch für zuverlässige Messungen von Ökosystemprozessen verwendet werden kann (Abb. 2).

Abb. 3a zeigt den Tagesverlauf der CO2-Flüsse: Tagsüber (etwa von 6:00 bis 18:00 Uhr) nehmen sowohl das Agroforstsystem als auch die Reinkultur ohne Gehölze CO2 auf, während nachts CO2 freigesetzt wird. Die CO2-Aufnahme erfolgt tagsüber durch die Photosynthese der Pflanzen, bei der Sonnenlicht, Wasser und CO2 verwendet werden, um Biomasse aufzubauen. Nachts wird CO2 durch die Zellatmung freigesetzt. Im Vergleich nimmt das Agroforstsystem gegenüber der Reinkultur ohne Gehölze mehr CO2 auf. Die Bäume haben eine größere physiologische Aktivität gegenüber den Nutzpflanzen im Ackerbereich (Bild: brgfx auf Freepik).

Abb. 3b zeigt den Tagesverlauf der verdunsteten Wärme: Sowohl die Reinkultur als auch das Agroforstsystem geben tagsüber viel Wasser in Form von Wasserdampf an die Atmosphäre ab. Nachts sind die Werte entweder nahezu null, weil keine Energie (Sonneneinstrahlung) vorhanden ist, oder die Werte sind negativ, weil sich bei sinkenden Temperaturen Kondensation bildet, also sich Feuchtigkeit in Form von Wassertröpfchen absetzt. Das Agroforstsystem gibt mehr Wasser ab, da die Bäume eine größere Blattoberfläche haben und somit mehr Wasser verdunsten.

Abb. 4a zeigt die Gesamtmenge des aufgenommenen Kohlenstoffs (C) in den Reinkultur- und Agroforstfläche über die Monate verteilt. Das Agroforstsystem (gelb) nimmt im Vergleich zur Reinkultur mehr C auf, wie es auch schon in Abb. 3a gezeigt wird.

Abb. 4b zeigt die Gesamtmenge an verdunstetem Wasser (im Poster ET) über die Monate verteilt. Die Gesamtmenge des verdunsteten Wassers wurde berechnet, indem die Werte des verdunsteten Wassers über den gesamten Messzeitraum zusammengerechnet wurden. Im Agroforstsystem verdunstet insgesamt mehr Wasser, jedoch ist der prozentuale Unterschied zur Reinkultur bei der Wasserverdunstung geringer als bei der Kohlenstoffaufnahme. Dies bedeutet, dass das Agroforstsystem effizienter mit Wasser umgeht – also eine verbesserte Wassernutzungseffizienz hat.

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Nährstoffeffizienz und Ertrag in Agroforstsystemen ähnlich wie in Reinkultur ohne Gehölze

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Ertrag ist ein wichtiger Faktor für die Rentabilität und den Erfolg landwirtschaftlicher Betriebe. Innerhalb eines Agroforstsystems kann die Konkurrenz zwischen Gehölzen und Kulturpflanze, z.B. um Wasser, Licht oder Nährstoffe, den Ertrag der Kulturpflanze nahe den Gehölzen verringern (Livesley et al. 2000). Bäume können aber auch als „Nährstoffpumpen“ wirken und Nährstoffe in höhere Bodenschichten verlagern und der Kulturpflanze verfügbar machen (Pardon et al. 2017).

Durch die Optimierung der Stickstoffnutzung kann der Einsatz von Düngemitteln reduziert werden, was sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile mit sich bringt. Zur Bewertung des effizienten Einsatzes von Stickstoff in der Landwirtschaft kann die Stickstoffreaktionseffizienz (NRE) als Kennzahl verwendet werden. Diese gibt an, wie effektiv eine Kulturpflanze den zur Verfügung gestellten Stickstoff für ihr Wachstum und die Produktion von Ertrag nutzt. Wenn die NRE bei einer Beprobung deutlich höher ist als bei einer anderen, bedeutet dies, dass die verfügbaren Nährstoffe im Boden effizienter für die Produktion von Nutzpflanzen genutzt werden können.

Ziel: Die Untersuchungen sollen den Effekt des Agroforstsystems und der Reinkultur ohne Gehölze auf die NRE und den Ertrag verschiedener Kulturen von 2019 bis 2022 bewerten. Die Forschungsfrage der Wissenschaftlerin ist dabei, ob das Agroforstsystem nährstoffeffizienter ist als die Reinkultur ohne Gehölze.

Standorte: Wendhausen, Dornburg

Ergebnisse aus dem Poster:

Die NRE der Kulturpflanzen unterschieden sich im Durchschnitt nicht signifikant zwischen dem Agroforstsystem (blau dargestellt) und der Reinkultur ohne Gehölze (rot dargestellt) im Oberboden (0–5 cm). Der große NRE-Unterschied (von 50 bis 750 g/m2) zwischen gedüngten und nicht gedüngten Pflanzen ist hauptsächlich auf die Düngerausbringungsmenge zurückzuführen: Die „nicht gedüngten“ Messpunkten im Jahr 2019 erhielten keinen Dünger und somit waren pflanzenverfügbare Nährstoffe im Vergleich zu den „gedüngten“ Messpunkten deutlich geringer.

Weiterhin ist der Trockenmasse-Ertrag abgebildet. Für den Trockenmasse-Ertrag werden die Ernteproben im Anschluss getrocknet, um das darin gespeicherte Wasser herauszulösen. Die Messung des Trockenmasse-Ertrags ist wichtig, um die tatsächliche Menge an pflanzlichem Material zu bestimmen, welches für die Tierfütterung oder die Lebensmittelverarbeitung verwendet wird und diese Mengen auch mit anderen Standorten und/ oder Jahren vergleichen zu können (Bild: ian.umces.edu/media-library).

Kulturen, bei denen der Trockenmasse-Ertrag gemessen wurde:

• Am Standort Wendhausen (Vetric Cambisol): Sommergerste (2019), Sommergerste (2020), Winterweizen (2021), Wintergerste (2022)
• Am Standort Dornburg: Silomais (2019), Silomais (2020), Winterraps (2022)

Der Trockenmasseertrag der Kulturpflanzen unterschied sich im Durchschnitt nicht signifikant zwischen den Kulturpflanzen im Agroforstsystem und in der Reinkultur ohne Gehölze. Ausnahmen gab es im Jahr 2020 bei Silomais am Standort Dornburg (Calcaric Phaeozem) und im Jahr 2020 bei Sommergerste am Standort Wendhausen (Vetric Cambisol), wo der Ertrag im Agroforstsystem geringer ausfiel. Das Alter der Bäume scheint dabei nicht der Hauptfaktor für Ertragsunterschiede zu sein: Im Jahr 2020 war der Ertrag von Silomais in der Reinkultur ohne Bäume in Wendhausen im Vergleich zu 2019 deutlich höher, obwohl die Bäume jünger waren. Daher vermutet die Wissenschaftlerin, dass andere Faktoren dominieren, die den Wettbewerb zwischen den Bäumen und Nutzpflanzen im Jahr 2019 ausgelöst haben.

Weiterhin wurde in Dornburg der Dünger reduziert und die Effekte gemessen. Diese unterschieden sich nicht signifikant von der normalgedüngten Fläche, was auf Einsparungspotenzial hinweist. Der Standort scheint mit Stickstoff gesättigt zu sein, womit die Pflanze auch bei reduziertem Düngemitteleinsatz genauso effizient mit Nährstoffen versorgt wird.

Quellen:

Livesley, S. J., Gregory, P. J., & Buresh, R. J. (2000). Competition in tree row agroforestry systems. 1. Distribution and dynamics of fine root length and biomass. Plant and Soil, 227(1), 149–161.

Pardon, P., Reubens, B., Reheul, D., Mertens, J., De Frenne, P., Coussement, T., Janssens, P., & Verheyen, K. (2017). Trees increase soil organic carbon and nutrient availability in temperate agroforestry systems. Agriculture, Ecosystems & Environment, 247,98–111.

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Nitratauswaschung ist in Agroforstsystemen geringer

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Nitrat (NO3-) spielt eine wichtige Rolle bei der Verunreinigung unseres Grundwassers. Weiterhin ist es ein wichtiger Verursacher der Eutrophierung von Gewässern, also dem übermäßigen Nährstoffeintrag. Folge von Eutrophierung ist eine erhöhte Biomasseproduktion in Gewässern, wodurch mehr abgestorbenes Material produziert wird, welches mikrobiell abgebaut wird. Der Prozess des Abbaus verbraucht Sauerstoff und somit wird der Sauerstoffgehalt knapper, was eine Bedrohung für viele Lebewesen im Gewässer darstellt. Die EU-Bodenstrategie sieht bis 2030 eine Verringerung der Nährstoffausschwemmungen aus den Böden um 50 % als notwendig. Agroforstsysteme können dazu beitragen.

 Ziel: Es soll der Effekt von Agroforstsystemen auf die Nitratauswaschung untersucht werden.

Standorte: Dornburg und Wendhausen

Ergebnisse aus dem Poster:

Mithilfe von Lysimetern sind Bodenwasserkonzentrationen gemessen worden. Dabei wird in der Baumreihe selbst, in unterschiedlichen Abständen und auf einer nahegelegenen Reinkultur ohne Gehölze gemessen. Die Messtechnik von Lysimeter beruht darauf, dass ein großer Behälter mit Boden gefüllt ist und im Boden bei einer Tiefe von 60cm ein Sammler platziert ist, welcher das versickernde Wasser auffängt. Dieses aufgefangene Wasser kann dann gemessen und auf die Menge und die Zusammensetzung der Nährstoffe analysiert werden.

In den Untersuchungen machte Nitrat (NO3-) über 90% des gesamten gelösten Stickstoffs aus, welcher an beiden Standorten ausgewaschen wurde. Stickstoff stellt dabei einen wichtigen Nährstoff für das Pflanzenwachstum dar. Es gibt unterschiedliche Formen von Stickstoff (z.B. N2 als Molekularer Stickstoff, NH3 als Ammoniak, NO3- als Nitrat). NO3- spielt in der Landwirtschaft eine große Rolle, da diese Form für die Pflanze als Nährstoff aufgenommen werden kann. Daher wird es auch in der Landwirtschaft als Dünger eingesetzt. (Symbol aus: ian.umces.edu/media-library)

Die Nitratauswaschung war dabei im Agroforstsystem im Durchschnitt um bis zu 66% (Fig B) geringer, wobei in der Baumreihe selbst die Auswaschung am geringsten war und zur Feldmitte hin zunahm (Fig C).

In der Reinkultur ohne Gehölze versickert die größte Menge an Wasser in tiefere Bodenschichten (Abbildungen im Poster in der Mitte unten links). Die Vermutung ist hier, dass die Wurzeln der Gehölze das Wasser samt gebundener Nährstoffe aufnehmen und/oder in den höheren Bodenschichten halten kann, wodurch eine tiefere Versickerung von Nährstoffen ins Grundwasser geringer ist. (Bild: Pixabay)

Fazit: Agroforstsysteme verbessern die Bodenfunktionen, indem sie Wasser filtern und die Auswaschung in tieferen Bodenschichten (v.a. im Gehölzbereich) reduziert wird.