Wasserrückhalt auf der Fläche fördern

Welche ackerbaulichen Maßnahmen sind wirksam und was kann der Humusgehalt leisten und was nicht?

Der Klimawandel verändert die Rahmenbedingungen der Pflanzenproduktion auf vielschichtige Weise: Steigende Temperaturen und veränderte Niederschlagsmuster, häufigere Extremwetterereignisse und Trockenphasen sowie neue Schaderreger beeinflussen Erträge, Qualitäten und die Stabilität von Wertschöpfungsketten. Damit rückt die Frage in den Mittelpunkt, wie Anbausysteme resilienter gemacht und Ressourcen noch effizienter genutzt werden können. In diesem Spannungsfeld kommt dem Rückhalt von Niederschlägen im Boden als Strategie zur Klimawandelanpassung eine zentrale Rolle zu.

Wasserrückhalt wird hauptsächlich von der Bodenbeschaffenheit beeinflusst

Ein verbesserter Wasserrückhalt kann die Verfügbarkeit von Wasser in Trockenperioden erhöhen, das Risiko von Ernteausfällen verringern und Erträge stabilisieren. Dafür ist es entscheidend, dass Niederschläge schnell infiltrieren, um den Oberflächenabfluss und die damit oft verbundene Bodenerosion zu verringern. Gerade in Zeiten mit häufiger vorkommenden Starkregenereignissen gewinnt die Infiltrierbarkeit an Bedeutung.

Die Infiltration hängt vor allem von der Niederschlagsintensität, der Bodentextur (Anteile von Sand, Schluff und Ton), der Bodenfeuchte, der Profiltiefe sowie der Bodenstruktur ab. Ein intaktes Bodengefüge mit einem optimalen Porensystem aus Grob- und Mittelporen fördert eine schnelle Versickerung. Für die Gefügestabilität ist eine ausreichende Kalkversorgung essenziell. Auch natürliche Bioporen in Form von Regenwurmgängen oder abgestorbenen Wurzeln spielen eine wichtige Rolle. Abgesehen von den natürlichen Bodeneigenschaften hängt die Infiltrationsfähigkeit auch stark vom Anbausystem und der Bewirtschaftung ab.

Die Wasserhaltefähigkeit des Bodens wird ebenfalls von mehreren Faktoren bestimmt. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Bodentextur, da sie die Verteilung der Porengrößen (Grob-, Mittel- und Feinporen) definiert und somit maßgeblich darüber entscheidet, wie viel Wasser gespeichert werden kann und wie leicht es wieder abgegeben wird. Tonböden weisen zwar einen hohen Gesamtporenanteil auf, binden aber einen großen Teil des Wassers in Feinporen, das allerdings nicht pflanzenverfügbar ist (Totwasser). Die nutzbare Feldkapazität (nFK) liegt daher nur auf einem mittleren Niveau. Die Infiltrationsrate von Tonböden ist im feuchten Zustand aufgrund der geringen hydraulischen Leitfähigkeit (kaum Grobporen) niedrig. Das kann bei intensiven Niederschlägen rasch zu Oberflächenabfluss führen. Im trockenen Zustand bilden Tonböden tiefe Schrumpfrisse aus. Diese wirken wie Grobporen und erlauben einen präferenziellen Fluss direkt in den Unterboden.

In sandigen Böden dominieren weite Grobporen, was zu einer sehr hohen Infiltrationskapazität und einem geringeren Risiko für Oberflächenabfluss führt. Aufgrund des geringeren Anteils an engen Grobporen und Mittelporen versickert das Wasser jedoch schnell in tiefere Bodenschichten. Die nFK und der Wasserrückhalt im Wurzelraum sind somit gering. In Trockenphasen bricht die Evapotranspiration (Summe aus Evaporation des Bodens und Transpiration des Pflanzenbestands) daher frühzeitig ein, da der kapillare Nachschub abreißt und das System rasch den permanenten Welkepunkt (PWP) erreicht.

Schluffböden und lehmige Substrate verfügen über eine vorteilhaftere Porengrößenverteilung mit einem hohen Anteil an Mittelporen. Ihre Infiltrationskapazität liegt im mittleren Bereich, erfordert aufgrund der Verschlämmungsneigung von Schluff aber ein angepasstes Management, um Oberflächenabfluss zu vermeiden. Nach der Infiltration des Niederschlags besitzen solche Böden das höchste Speichervermögen für pflanzenverfügbares Wasser und zeichnen sich durch eine hohe nFK aus. Weiterhin können sie Wasser effektiv aus tieferen Schichten nachliefern. Dadurch wird eine konstant hohe produktive Transpirationsrate der Pflanzenbestände gesichert und das Risiko von Trockenstress im Vergleich zu reinen Sand- oder Tonböden deutlich minimiert.

Ackerbauliche Maßnahmen zur Förderung des Wasserrückhalts

Um den Wasserrückhalt auf Ackerflächen zu steigern, spielen verschiedene aufeinander abgestimmte ackerbauliche Maßnahmen eine Rolle, die direkt bzw. indirekt die hydraulischen Eigenschaften des Bodens beeinflussen. Entscheidend sind dabei (1) die Steigerung der Infiltrationskapazität, sodass Niederschlag schneller versickert und der oberflächliche Abfluss verringert wird, (2) die Erhöhung der Wasserspeicherkapazität innerhalb des Bodenprofils, sodass ein größerer Anteil des versickernden Niederschlags zurückgehalten wird, anstatt durch Tiefenversickerung in den Unterboden verloren zu gehen, und (3) die Verringerung unproduktiver Verdunstungsverluste, die nicht zur Ertragsbildung beitragen. Eine Wirkung zeigen Maßnahmen zur Förderung des Wasserrückhalts jedoch oft erst nach mehrjähriger Bewirtschaftung.

Konservierende Bodenbearbeitung

Konservierende Verfahren wie Mulch- oder Direktsaat belassen Ernterückstände an der Oberfläche. Diese biologische Schutzschicht absorbiert die kinetische Energie der Regentropfen und schützt dadurch oberflächliche Bodenaggregate und Porenstrukturen, steigert die Infiltration und reduziert durch erhöhte Oberflächenrauigkeit den Oberflächenabfluss. Hierzu muss eine Bodenbedeckung von mindestens 30 % gegeben sein. Darüber hinaus beschatten Ernterückstände den Boden, verringern die Windgeschwindigkeit und reduzieren so den Verlust von Bodenwasser durch Evaporation.

Nach langjähriger konservierender Bewirtschaftung wird oft eine höhere gesättigte hydraulische Leitfähigkeit beobachtet, insbesondere bei Direktsaat. Dies ist vor allem auf ein durch Regenwurmtätigkeit stärker ausgeprägtes Grobporensystem zurückzuführen. Die höhere Lagerungsdichte im vormals bearbeiteten Krumenbereich kann jedoch auch eine Barriere für das Wurzelwachstum darstellen.

Die reduzierte Evaporation in Kombination mit der verbesserten Infiltration und dem verringerten oberflächlichen Abfluss führt zu einer effektiveren Ausnutzung von Niederschlägen. Dadurch wird die Wasserversorgung der Pflanzen verbessert und ihre Resilienz gegenüber Dürreperioden erhöht. Die nFK wird hingegen nicht in relevantem Umfang gesteigert.

Vermeidung von Bodenverdichtung

Mechanische Belastung durch landwirtschaftliche Maschinen ist die wesentliche Ursache für das Auftreten von Bodenverdichtung. Vor allem hohe Radlasten in Kombination mit geringer Reifenkontaktfläche führen zu hohem Bodendruck, der sich auch in den Unterboden fortpflanzt. Unterbodenverdichtung wird als relativ persistent angenommen, da die Aktivität bodenlockernder Organismen in dieser Tiefe gering ist und Bodenfrost nur noch selten in diese Tiefen vordringt. Das Risiko von Bodenverdichtung ist auf Tonböden generell höher als auf Sandböden, vor allem bei Befahrung beziehungsweise Bodenbearbeitung in feuchtem Zustand. Darüber hinaus ist der pH-Wert des Bodens von Bedeutung, da die Stabilität der Bodenaggregate bei geringen pH-Werten sinkt. Eine nicht ausreichende Kalkversorgung erhöht somit die Gefahr von Bodenverdichtung.

Verdichtete Böden weisen eine Verengung des Porenraumes auf, mit einem geringeren Anteil an Grobporen und einem erhöhten Anteil an Feinporen sowie einer geringeren nFK und reduzierten hydraulischen Leitfähigkeit. Dies schränkt die Infiltration und Drainage ein und steigert die Gefahr von oberflächlichem Abfluss, Staunässe und Bodenerosion. Darüber hinaus wird der Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre verlangsamt, was zu negativen Auswirkungen auf Wurzelwachstum, Bodenfauna und N-Umsetzungsprozesse im Boden führen kann.

Bodenbedeckung durch Mulchmaterial

Ein weiterer Schlüsselfaktor für einen verbesserten Wasserrückhalt ist eine möglichst lange Bodenbedeckung. Dies kann über eine lebende Pflanzendecke erreicht werden – wie temporär durch Zwischenfrüchte und Untersaaten –, durch ausdauernde Arten, in welche Hauptkulturen eingesät werden (Lebendmulch/Planting Green), oder durch abgestorbenes organisches Material (Totmulch). Beim In-situ-Verfahren verbleibt das Mulchmaterial auf der Fläche, auf der es erzeugt wurde, beispielsweise wenn Zwischenfrüchte absterben, gewalzt oder gemulcht werden. Beim Transfermulch-Verfahren, auch Cut & Carry genannt, wird Mulchmaterial auf einer Geberfläche angebaut und geerntet und auf einer anderen Nehmerfläche wieder aufgebracht. Dieses Verfahren wird bislang vor allem im Ökolandbau eingesetzt.

Zwischenfrüchte, Untersaaten und Lebendmulch

Der Anbau von Zwischenfrüchten und Untersaaten kann biologische, chemische und physikalische Bodeneigenschaften und somit auch den Wasserhaushalt des Bodens beeinflussen. Neben dem Schutz vor Wind- und Wassererosion reduzieren Zwischenfrüchte und Untersaaten das Risiko von Verschlämmungen und steigern den Humusgehalt. Die Bildung von Bioporen durch Wurzeln und eine gesteigerte Aktivität von Regenwürmern fördert das Porenvolumen, insbesondere Grobporen. Dies und eine verbesserte Aggregatbildung steigern die Infiltration und reduzieren oberflächlichen Abfluss. Ein Effekt auf die nFK würde eine Zunahme von Mittel- und engen Grobporen voraussetzen und hängt vermutlich von der angebauten Zwischenfruchtart ab. In einer neuen Untersuchung wurde eine leichte Zunahme der nFK nur nach mehrjährigem Anbau von legumen Zwischenfrüchten festgestellt, nicht bei anderen Arten. Die Ursachen hierfür sind noch nicht geklärt.

Zwischenfrüchte, Untersaaten und Lebendmulch mindern den unproduktiven Wasserverlust über Evaporation im Vergleich zu einer Brache ohne Bewuchs. Sie verbrauchen jedoch in der Vegetationszeit Bodenwasser durch Transpiration. Nach dem Absterben abfrierender Zwischenfrüchte/Untersaaten kann die Mulchwirkung zu einer Einsparung von Wasser im Vergleich zu Brache führen. Winterharte Zwischenfrüchte/Untersaaten sollten nur dann zum Einsatz kommen, wenn der Bodenwasserhaushalt über Winter sicher aufgefüllt wird, um negative Auswirkungen auf die folgende Hauptfrucht zu verhindern. Auch für Lebendmulchsysteme ist eine ausreichende Wasserversorgung entscheidend, um Konkurrenz zur Hauptfrucht zu vermeiden.

Totmulch

Auch Totmulch verbessert die Infiltration und mindert Oberflächenabfluss, Bodenerosion sowie unproduktive Wasserverluste durch Evaporation. Das Mulchen hat zudem weitere positive Auswirkungen, wie beispielsweise auf verschiedene physikalische Bodeneigenschaften, die Anreicherung von Humus und die Unkrautunterdrückung. Darüber hinaus kann der Einsatz von Mulch die Bodentemperatur regulieren, indem er den Boden bei sehr heißer Witterung kühl und an kalten Wintertagen warmhält. Dabei scheint Totmulch weniger effektiv zu sein als Lebendmulch, der die Bodentemperatur durch Verdunstungskühlung stärker absenkt als abgestorbenes Mulchmaterial. Totmulch kann auch die Bestandestemperatur während des Tages steigern. Untersuchungen der Universität Kassel an Kartoffeln haben gezeigt, dass die hygroskopischen Eigenschaften von Totmulch die Luftfeuchte reduzieren und eine veränderte Rückstrahlung des einfallenden Sonnenlichts die Temperatur im Pflanzenbestand erhöhen kann. Während Hitzeperioden können sich so vermehrte und längere Extremtemperaturen im Bestand ergeben.

Humusgehalt – Einflussfaktoren, Möglichkeiten des Aufbaus und Wirkung auf die Wasserspeicherung

In der Diskussion um Klimaanpassungsstrategien wird die Zufuhr organischer Masse wiederholt als Maßnahme genannt, um den Humusgehalt zu steigern und darüber die Wasserhaltefähigkeit von Böden zu verbessern. Dabei wird angenommen, dass ein höherer Humusgehalt die Aggregatbildung und das Gesamtporenvolumen fördert, wodurch sich die Infiltration und die nFK verbessern sollen.

Als Humus wird die Gesamtheit der abgestorbenen organischen Masse in einem Boden bezeichnet. Humus enthält etwa 58 % organischen Kohlenstoff (C_org). Dieser Anteil kann jedoch in Abhängigkeit von Standort und Bewirtschaftung schwanken. Da der C_org-Gehalt im Labor präziser ermittelt werden kann als der Humusgehalt, wird er in Fachartikeln meist anstelle des Humusgehalts betrachtet. Der C_org-Gehalt wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst. Dabei kommt dem Klima (ca. 50 %) eine deutlich größere Bedeutung zu als den Bodeneigenschaften (ca. 20–30 %), zu denen beispielsweise das Ausgangssubstrat der Bodenbildung oder die Bodentextur zählen. Bewirtschaftungsmaßnahmen wie die mineralische und organische Düngung, die Kalkversorgung oder die Bodenbearbeitung haben einen geringeren Einfluss (ca. 5–30 %). Tonböden verfügen generell über eine höhere Speicherkapazität für C_org, jedoch reagieren Sandböden oft stärker auf Änderungen der Bewirtschaftung.

C_org-Aufbau ist keine Einbahnstraße

Der Boden-C_org unterliegt einem ständigen Auf- und Abbau. Durch lebende oder abgestorbene oberirdische Pflanzenteile, Wurzeln und deren Wurzelexudate sowie tierische Ausscheidungen gelangt organischer Kohlenstoff in den Boden. Der weitaus größte Teil des eingetragenen organischen Kohlenstoffs wird jedoch innerhalb von Monaten bis wenigen Jahren durch Mineralisation abgebaut.

Übersteigt der Eintrag von C_org durch eine gezielte Bewirtschaftungsmaßnahme dessen Abbau, wird organischer Kohlenstoff im Boden angereichert. Dabei tragen Wurzeln effektiver zur C_org-Akkumulation bei als die Sprossmasse. Die C_org-Anreicherung verläuft generell langsam und erreicht nach einem gewissen Zeitraum ein neues Fließgleichgewicht zwischen Auf- und Abbau, auch wenn die Bewirtschaftung beibehalten wird. Das heißt, es erfolgt dann keine weitere Anreicherung. In der Regel steigern höhere C_org-Gehalte auch wiederum die Mineralisationsrate. Bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustands können mehrere Jahrzehnte vergehen. Wird die Bewirtschaftung verändert und weniger C_org eingetragen, ist eine z. T. sehr schnelle Abnahme des C_org-Gehaltes zu beobachten, wie beispielsweise nach Grünlandumbruch und anschließender Ackernutzung. Insgesamt kann der C_org-Gehalt über ackerbauliche Maßnahmen nur in begrenztem Umfang gesteigert werden. Jährliche Zunahmen betragen meist weniger als 0,1 % C_org im Oberboden.

Überschaubarer Einfluss auf nutzbare Feldkapazität

In einer Studie des Thünen-Instituts, Braunschweig, wurde der Einfluss des Boden-C_org auf die Luftkapazität (weite Grobporen), den Porenraum bei permanentem Welkepunkt sowie auf die nFK untersucht. Dabei wurde nicht nur der Ober-, sondern auch der Unterboden (30–60 cm) berücksichtigt. Grundlage der Studie sind 11 Feldversuche aus Deutschland, die z. T. über mehrere Jahrzehnte durchgeführt wurden. Durch eine unterschiedliche Bewirtschaftung (mineralische und/oder organische Düngung, Fruchtfolge) wurde ein Corg-Gradient zwischen den Varianten erzeugt.

Im Mittel aller Versuche stieg der C_org-Gehalt durch die unterschiedliche Bewirtschaftung in 0 bis 60 cm Tiefe um 4,5 g/kg Boden an. Dies führte sowohl im Ober- als auch im Unterboden zu einer Zunahme von weiten Grobporen und des Porenraums mit einer Größe unter 0,2 µm (Totwasser). Der höhere Anteil an Grobporen kann eine puffernde Wirkung bei häufiger auftretenden Starkregenereignissen haben und Oberflächenabfluss sowie Bodenerosion mindern. Bei einer C_org-Zunahme von 4 bis 5 g/kg Boden stieg die nFK nur um 2 mm an (0–60 cm). Dies entspricht im besten Falle einem halben Tag weniger Trockenstress für Pflanzenbestände. Die Erwartungen, dass sich die Wasserspeicherkapazität durch höhere C_org-Gehalte in relevantem Ausmaß steigern lässt, müssen also gedämpft werden.

Fazit

Der Wasserrückhalt auf Ackerflächen ist eine zentrale Strategie zur Klimaanpassung, um die Resilienz gegen zunehmende Witterungsextreme wie Starkregenereignisse und längere Trockenphasen zu steigern. Beim Umgang mit Niederschlägen muss dabei ein Umdenken stattfinden. Statt Wasser über Drainagen und begradigte Flüsse möglichst schnell abzuführen, sollte versucht werden, Niederschläge wie in einem Schwamm in der Fläche zu halten.

Verschiedene ackerbauliche Maßnahmen können dazu beitragen, die Infiltrationskapazität des Bodens zu erhöhen und dadurch die Versickerung von Niederschlägen in den Wurzelraum – auch bei Starkregenereignissen – zu verbessern sowie unproduktive Verdunstungsverluste zu verringern. Die nutzbare Feldkapazität lässt sich jedoch nur in geringem Umfang beeinflussen. Der Wasserspeicher wird also nicht unbedingt größer, aber nicht so schnell geleert.

Daher sollten weitere schlagbezogene Maßnahmen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise die gesteuerte Drainage, sowie Maßnahmen auf Landschaftsebene, wie die Sohlenerhöhung von Bächen und Flüssen oder das Keyline-Design. In Regionen mit wenigen Landschaftstrukturelementen kann die Anlage von Hecken oder Agroforstsystemen zu einer Verbesserung des Mikroklimas und damit zum Wasserrückhalt beitragen.

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