Soil3 - Nachhaltiges Unterbodenmanagement
Weltweit steigende Bevölkerungszahlen verlangen größere Anstrengungen, um den daraus resultierenden Bedarf an Nahrungsmitteln sozial- und umweltverträglich sowie nachhaltig zu decken. Dies ist eine große Herausforderung, denn in Deutschland und weltweit nehmen die Flächenanteile für den Ackerbau stetig ab und das Risiko von Ernteausfällen bei warmen und trockenen Sommer steigt, während die Verfügbarkeit von Düngemitteln abnimmt bzw. die Kosten hierfür ansteigen.
Der Unterboden wurde beim landwirtschaftlichen Ackerbau bisher kaum berücksichtigt, obwohl sich dort große Vorräte an Wasser und Nährstoffen befinden, die gerade in trockenen Jahren oder unter Nährstoffmangel zur Ertragssicherung und zur Steigerung der Produktivität beitragen können. Ziel des Projektes Sustainable Subsoil Management (Soil3) ist es, den Unterboden in Managementoptionen einzubeziehen. Wir gehen davon aus, dass die Wasser- und Nährstoffaufnahme aus dem Unterboden gesteigert werden kann, wenn es für die Pflanzen attraktive Optionen gibt, in Wurzeln zu investieren die den Unterboden erschließen. Dies kann durch Maßnahmen wie die Verringerung des physikalischen Widerstandes für die Wurzel, die Schaffung von Nährstoff-Hotspots im Unterboden oder Wasserspeicherung im Unterboden gelingen, wenn der Oberboden durch saisonale Gegebenheiten austrocknet.
> 50%
der Wasser- und Nährstoffvorräte befinden sich im Unterboden
10-80%
des Wasser- und Nährstoffbedarfs der Nutzpflanzen wird aus dem Unterboden gedeckt
71%
des deutschen Ackerbodens sind durch wurzelhemmende Schichten beeinträchtigt
Innerhalb des Verbundprojektes Soil3 kommen die folgenden Maßnahmen zum Einsatz: a) in einer Kombination von tiefwurzelnden Vorkulturen mit mechanischen Verfahren sollen die bodenchemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften des Unterbodens für das Pflanzenwachstum verbessert werden. Hierbei wird der Unterboden mit einer Grabenfräse heterogenisiert und organisches Material wird in den Unterboden eingebracht. Daneben sollen b) eine Inventur und die Analyse von Metadaten von Dauerversuchsstandorten sowie Daten der Bodenzustandserhebung-Landwirtschaft Aufschluss über Nährstoffzustände im Unterboden geben. Dies ermöglicht es uns konkret und auch unter dem Aspekt der technischen Machbarkeit und der sozio-ökonomischen Akzeptanz zu testen, wie das gesamte Bodenvolumen für die agrarische Nutzung optimiert werden kann.
Phase I (2015-2018): Proof of Concept
- Bestandsaufnahme und Metadatenanalyse zu Unterbodenvorräten und -zugang
- Verbesserter Unterbodenzugang durch tiefwurzelnde Vorfrüchte und mechanische Unterbodenmelioration (Entwicklung des Prototyp in zentralen Feldversuchen)
Phase II (2018-2022): Proof of Feasibility
- Verbessertes Verständniss von Interaktionen zwischen Wurzeleindringwiderstand, Nährstoff- und Wasserversorgung und Unterbodenressourcen-Nutzung
- Weiterentwicklung und Anwendung von Werkzeugen zur Erfassung der Effekte der Unterbodenmelioration auf Wasser- und Nährstoffaufnahme
- Abschätzung von Nutzen und Nachhaltigkeit der Unterbodenmelioration unter verschiedenen Standortbedingungen
Phase III (2022-2025): Proof of Sustainability, Upscaling, Implementation
- Nachweis der Nachhaltigkeit der Soil3-Technik
- Hochskalierung der Erkenntnisse auf die Bundesebene
- Implementierung in ein Beratungswerkzeug (Impact Assessment Platform)
Die fortlaufende Datenerhebung auf den Versuchsflächen in Phase III erfasst mittelfristige Effekte der Unterbodenmelioration und ist eine Weiterführung der in Phase I und II begonnenen Arbeiten. Neben der Bereitstellung von Feld- und agronomischen Daten sowie der Bodenqualität, steht hier weiterhin der Unterbodenzugang im Fokus.
Alle aus den zentralen Feldversuchen und Demoflächen gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Lernmaterialien bzw. Beratungsmaßnahmen für Landwirte und die Wissenschaft (Produktkategorie 3) so wie in die Impact Assessment Platform (Produktkategorie 4) ein.
In der Produktkategorie 2 werden drei Pfeiler für Produktkategorie 3 aufgebaut: i) die Wahl des Kompostmaterials, ii) Indikatoren für die Nachhaltigkeit der Unterbodenmelioration und iii) mathematische Tools für die Erfolgsvorhersage der Meliorationsmaßnahmen.
Die Entscheidungshilfe für die Kompostwahl basiert auf der Stöchiometrie der Kompostmischungen und wird mit Hilfe eines Mikrokosmenversuchs aufgestellt, in dem einerseits die Interaktion von Bodentyp, Komposttyp und Bodenfeuchte in Bezug auf die Stickstoffdynamik und andererseits die Rolle von Mikroorganismen im effizienten Stickstoff-Cycling untersucht wird.
Als Indikatoren der Nachhaltigkeit dienen i) die Fähigkeit der Soil3-Technik, die Kohlenstoffvorräte im Boden langfristig zu erhöhen bzw. unter sich ändernden Klimabedingungen nicht freizusetzen, ii) die Nährstoffnutzungseffizienz in verschiedenen Böden und durch verschiedene Nutzpflanzen und iii) die Abschätzung des biologischen Risikos anhand von arbuskulären Mykorrhiza und saprotrophen Pilzen.
Anhand mathematischer Tools werden Nährstoffnutzungseffizienzen und die potentiellen Ertragszuwächse unter verschiedenen Szenarien modelliert und die Langlebigkeit der durch Unterbodenmelioration verbesserten Bodenstruktur berechnet. Außerdem wird das Pflanzenwachstumsmodel genutzt, um Erträge und weitere Indikatoren für verschiedene Klimaszenarien zu quantifizieren.
Die Implementierung der Soil3-Technik setzt voraus, dass Akteure wie Landwirte, Entscheidungsträger oder Behörden gut über Hintergründe und technische und ökonomische Kenndaten informiert werden. Hierzu wird eine Palette von unterschiedlichen Informationsmaterialien erstellt, um die Öffentlichkeit, die Industrie, die Wissenschaft, aber auch Schulen miteinzubeziehen. Durch Filme, in denen die Soil3-Technik und ihr Nutzen einfach erklärt werden, wird das Unterbodenmanagement und dessen Nützlichkeit einer breiten Öffentlichkeit näher gebracht. Mit einem Dokumentarfilm über Unterbodenmanagement werden wissenschaftliche und nicht-wissenschaftliche Interessenten angesprochen. Ein Strategiepapier wird Handlungsempfehlungen für den möglichen politischen Rahmen des Unterbodenmanagements geben. Das Handbuch wird grundlegende Informationen zu Kompostauswahl und Verfahrenskosten enthalten, und es wird in die drei Hauptaspekte i) Entscheidungsgrundlagen, ii) technische Ratschläge und iii) gesamtgesellschaftlicher Nutzen unterteilt sein.
Ein übergeordnetes Ziel der Phase III ist es, regionsspezifische Entscheidungshilfen für den Einsatz des Unterbodenmanagements in der landwirtschaftlichen Praxis zu geben. Dies wird in Form einer Impact Assessment Platform verwirklicht. Für deren Entwicklung werden regionsspezifische Kompostdaten und Parameter zur geographischen Eignung (Bodentyp, Klima) für die Unterbodenmelioration benötigt. In die Kompostauswahl fließen einerseits Ergebnisse aus Produkt 3 zur Standorteignung ein, andererseits wird auch die regionale Verfügbarkeit verschiedener Kompostmaterialien als wichtiger Faktor für den Einsatz der Soil3-Technik eruiert. Für die Eignungskarten werden GIS-Daten inkl. z.B. Steingehalten mit Hilfe von Algorithmen regionalisiert und es werden Ausscheidungskriterien geschaffen, so dass schließlich eine Empfehlung („geeignet“, „wahrscheinlich geeignet“, „ungeeignet“) gegeben werden kann. Diese Karte wird außerdem mit Daten zur Unterbodenwassernutzung und zum Stickstoff-Auswaschungsrisiko gekoppelt und mit einem Modell hinterlegt, mit dem die Effekte des Unterbodenmanagements auf Erträge und Nährstoffaufnahme standort-spezifisch vorhergesagt werden können. Als letzter Punkt fließen die Kosten-Nutzen-Analysen zur mechanischen und biologischen Unterbodenmelioration in die Entwicklung der Impact Assessment Platform mit ein, wobei auch sozioökonomische Faktoren berücksichtigt werden. Schließlich wird die Impact Assessment Platform weiter optimiert, indem sie gemeinsam mit den Endnutzern in Workshops getestet und bewertet wird.