Versuche und Standorte

Mehrere Mikrokosmenversuche wurden durchgeführt um die Einflussfaktoren des Wurzelwachstums, der mikrobiellen Aktivität und der Nährstoffnutzung im Unterboden sowie Wechselwirkungen dieser Faktoren zu verstehen:

• unterboden-bürtige arbuskuläre Mykorrhizapilze und ihr Einfluss auf die Eisenaufnahme durch Sommergerste
• durch Regenwürmer generierte Bioporen bzw. deren Porenauskleidung
• Wassergehalt bzw. Eindringwiderstand des Bodens
• Genotypen der Nutzpflanzen (bisher getestet für Sommergerste, Winterweizen und Hafer)
• Kontakt zwischen Wurzel(haaren) und Boden innerhalb der Bioporen
• Einfluß von Nährstoffverfügbarkeit auf die Isotopenfraktionierung
• Zusammensetzung des in den Unterboden eingearbeiteten Komposts

Dresemann T., Athmann M., Heringer L., Kautz T. 2018. Effects of continuous vertical soil pores on root and shoot growth of winter wheat: a microcosm study. Agricultural Sciences 9, 750-764. Doi: 10.4236/as.2018.96053.

Guigue J., Just C., Luo S., Fogt M., Schloter M., Kögel-Knabner I., Hobley E. 2022. Spatial molecular heterogeneity of POM during decomposition at different soil depths resolved by VNIR hyperspectral imaging. European Journal of Soil Science 73, e13207. Doi: 10.1111/ejss.13207.

Koch M., Boselli R., Hasler M., Zörb C., Athmann M., Kautz T. 2021. Root and shoot growth of spring wheat (Triticum aestivum L.) are differently affected by increasing subsoil biopore density when grown under different subsoil moisture. Biology and Fertility of Soils 57, 1155-1169. Doi: 10.1007/s00374-021-01597-7.

Wang Y., Wu B., Berns A.E., Xing Y., Kuhn A.J., Amelung W. 2020. Magnesium isotope fractionation reflects plant response to magnesium deficiency in magnesium uptake and allocation: a greenhouse study with wheat. Plant and Soil 455, 93-105. Doi: 10.1007/s11104-020-04604-2.

Im Rahmen von Soil³ werden Dauerversuche in ganz Deutschland genutzt, um anhand aufgezeichneter Ertrags-, Boden- und Klimadaten sowie eigener Untersuchungen die standortspezifischen Wechselwirkungen verschiedener Faktoren auf Unterbodenprozesse, sowie die Langzeitwirkung (bis > 100 Jahre) verschiedener konventioneller landwirtschaftlicher Methoden zu verstehen.

Dauerversuchsstandorte:

Rauischholzhausen (Justus-Liebig-Universität Gießen):

• Internationaler Organischer Stickstoffdüngungsversuch (IOSDV)
• Bodenbearbeitungsversuch

Gießen (Justus-Liebig-Universität Gießen):

• Biologische Stickstoffgewinnung (BSG)
• Erschöpfungsversuch

Freising-Weihenstephan (Technische Universität München):

• Kalkungsversuch Dürnast II

Müncheberg (Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung):

• Düngungs- und Nährstoffgradient-Versuch V140

Thyrow (Humboldt-Universität zu Berlin):

• Statischer Düngungs- und Beregnungsversuch D-I
• Statischer Nährstoffmangelversuch D-IV

Berlin-Dahlem (Humboldt-Universität zu Berlin):

• Statischer Versuch Bodennutzung D-III

Bonn (Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn):

• CeFit Klein-Altendorf
• Dauerdüngungsversuch Dikopshof

Göttingen (Georg-August-Universität Göttingen):

• Bodenbearbeitungsversuch Garte Süd

Untersuchte Parameter und Eigenschaften:

• Erträge der Feldfrüchte
• verschiedene Parameter des Wurzelwachstums wie z.B. Wurzellängendichte
• grundlegende Bodeneigenschaften wie Lagerungsdichte, Kohlenstoff- und Stickstoffvorräte, pH, Textur, elektrische Leitfähigkeit
• Nährstoffgehalte und Nährstoffnutzungseffizienz
• Wassergehalte und Wasserdynamik
• Unterbodenheterogenität hinsichtlich Kohlenstoffgehalten und Bioporen
• Zusammensetzung und funktionelle Eigenschaften der mikrobiellen Gemeinschaft, Wurzelpathogene

Bauke S.L., von Sperber C., Gocke M.I., Sandhage-Hofmann A., Honermeier B., Schweitzer K., Baumecker M., Don A., Tamburini F., Amelung W. 2018. Subsoil phosphorus is affected by fertilization regime in long-term agricultural experimental trials. European Journal of Soil Science 69, 103-112. Doi: 10.1111/ejss.12516.

Gocke M.I., Guigue J., Bauke S.L., Barkusky D., Baumecker M., Berns A.E., Hobley E., Honermeier B., Kögel-Knabner I., Koszinski S., Sandhage-Hofmann A., Schmidhalter U., Schneider F., Schweitzer K., Seidel S., Siebert S., Skadell L.E., Sommer M., von Tucher S., Don A., Amelung W. 2023. Interactive effects of agricultural management on soil organic carbon accrual: A synthesis of long-term field experiments in Germany. Geoderma 438, 116616. Doi: 10.1016/j.geoderma.2023.116616.

Hadir S., Gaiser T., Hüging H., Athmann M., Pfarr D., Kemper R., Ewert F., Seidel S.J. 2021. Sugar beet shoot and root phenotypic plasticity to nitrogen, phosphorus, potassium and lime omission. Agriculture 11, 21. Doi: 10.3390/agriculture11010021.

Hobley E.U., Honermeier B., Don A., Gocke M.I., Amelung W., Kögel-Knabner I. 2018. Decoupling of subsoil carbon and nitrogen dynamics after long-term crop rotation and fertilization. Agriculture, Ecosystems & Environment 265, 363-373. Doi: 10.1016/j.agee.2018.06.021.

Just C., Armbruster M., Barkusky D., Baumecker M., Diepolder M., Döring T.F., Heigl L., Honermeier B., Jate M., Merbach I., Rusch C., Schubert D., Schulz F., Schweitzer K., Seidel S., Sommer M., Spiegel H., Thumm U., Urbatzka P., Zimmer J., Kögel-Knabner I., Wiesmeier M. 2023. Soil organic carbon sequestration in agricultural long-term field experiments as derived from particulate and mineral-associated organic matter. Geoderma 434, 116472. Doi: 10.1016/j.geoderma.2023.116472.

Kaufmann M.S., von Hebel C., Weihermüller L., Baumecker M., Döring T., Schweitzer K., Hobley E., Bauke S.L., Amelung W., Vereecken H., van der Kruk J. 2020. Effect of fertilizers and irrigation on multi‐configuration electromagnetic induction measurements. Soil Use and Management 36, 104-116. Doi: 10.1111/sum.12530.

Kroschewski B., Richter C., Baumecker M., Kautz T. 2022. Effect of crop rotation and straw application in combination with mineral nitrogen fertilization on soil carbon sequestration in the Thyrow long-term experiment Thy_D5. Plant and Soil 488, 121-136. Doi: 10.1007/s11104-022-05459-5.

Rueda-Ayalaa V., Ahrends H., Siebert S., Gaiser T., Hüging H., Ewert F. 2018. Impact of nutrient supply on the expression of genetic improvements of cereals and row crops - A case study using data from a long-term fertilization experiment in Germany. European Journal of Agronomy 96, 34-46. Doi: 10.1016/j.eja.2018.03.002.

Seidel S.J., Gaiser T., Ahrends H.E., Hüging H., Siebert S., Bauke S.L., Gocke M.I., Koch M., Schweitzer K., Schaaf G., Ewert F. 2021. Crop response to P fertilizer omission under a changing climate - Experimental and modeling results over 115 years of a long-term fertilizer experiment. Field Crops Research 268, 108174. Doi: 10.1016/j.fcr.2021.108174.

Skadell L.E., Schneider F., Gocke M.I., Guigue J., Amelung W., Bauke S.L., Hobley E.U., Barkusky D., Honermeier B., Kögel-Knabner I., Schmidhalter U., Schweitzer K., Seidel S.J., Siebert S., Sommer M., Vaziritabar Y., Don A. 2023. Twenty percent of agricultural management effects on organic carbon stocks occur in subsoils – Results of ten long-term experiments. Agriculture, Ecosystems and Environment 356, 108619. Doi: 10.1016/j.agee.2023.108619.

Wang Y., Bauke S.L., von Sperber C., Tamburini F., Guigue J., Winkler P., Kaiser K., Honermeier B., Amelung W. 2021. Soil phosphorus cycling is modified by carbon and nitrogen fertilization in a long-term field experiment. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 184, 282-293. Doi: 10.1002/jpln.202000261.

Wang Y., Wu B., Berns A.E., Bol R., Wombacher F., Ellmer F., Amelung W. 2021. A century of liming affects the Mg isotopic composition of the soil and crops in a long-term agricultural field at Berlin-Dahlem, Germany. European Journal of Soil Science 72, 300-312. Doi: 10.1111/ejss.12951.

Wu B., Wang Y., Berns A.E., Schweitzer K., Bauke S.L., Bol R., Amelung W. 2021. Iron isotope fractionation in soil and graminaceous crops after 100 years of liming in the long‐term agricultural experimental site at Berlin‐Dahlem, Germany. European Journal of Soil Science 72, 289-299. Doi: 10.1111/ejss.12944.

Mehrere Standorte mit ehemaliger Unterbodenmelioration dienen uns dazu, die Langzeiteffekte dieser Bearbeitungstechniken auf Boden und Nutzpflanzen zu verstehen. Hierunter fallen einerseits Treposole, d.h. Böden die in den 1960er Jahren einmalig tief (55-90 cm) gepflügt wurden um organisches Material und Nährstoffe des Oberbodens in tiefere Bodenschichten zu bringen und so das Wurzelwachstum im Unterboden zu verstärken. Diese Art der Bodenbearbeitung war in Norddeutschland weit verbreitet und wurde v.a. auf sandigen, aber auch an Löss-Standorten angewendet. Ebenfalls in den 1960er Jahren wurde nahe Müncheberg in Brandenburg ein Unterboden-Feldversuch angelegt, bei dem der Oberboden entweder entfernt oder verdoppelt ("Krumenvertiefung") wurde um die Fruchtbarkeit der nährstoffarmen sandigen Böden in Nordostdeutschland zu erhöhen. Der Versuch ist mittlerweile seit ca. 30 Jahren aufgegeben.

An diesen Standorten wurde der Langzeiteffekt der mechanischen Unterbodenbearbeitung untersucht, wobei der Fokus auf den heutigen Erträgen und der Ertragsqualität, Wurzelwachstum und Unterbodeneigenschaften lag. Die Erkenntnisse hieraus ergänzen unsere Ergebnisse aus unseren eigenen Unterbodenversuchen (Zentrale Feldversuche).

Burger D.J., Bauke S.L., Amelung W., Sommer M. 2023. Fast agricultural soil re-formation after complete topsoil loss is possible – evidence from a unique historical field experiment. Geoderma 434, 116492. Doi: 10.1016/j.geoderma.2023.116492.

Burger D.J., Bauke S.L., Schneider F., Kappenberg A., Gocke M.I. 2024. Root-derived carbon stocks in formerly deep-ploughed soils – A biomarker-based approach. Organic Geochemistry 190, 104756. Doi: 10.1016/j.orggeochem.2024.104756.

Die Bodenzustandserhebung Landwirtschaft ist ein Monitoring-Programm des Thünen-Instituts und dient der einheitlichen Inventur landwirtschaftlich genutzter Böden Deutschlands hinsichtlich ihrer Kohlenstoffvorräte bis in einen Meter Tiefe.

Im Rahmen von Soil³ werden die Standorte der Bodenzustandserhebung Landwirtschaft genutzt, um Unterbodeneigenschaften (u.a. Nährstoff- und Wassergehalte, Durchwurzelung) unter verschiedenen Boden-, Klima- und Bearbeitungsbedingungen zu erfassen. Die dadurch gewonnenen Informationen über Ressourcen im Unterboden deutscher Ackerböden sowie ihre Zugänglichkeit für die Nutzpflanzen dienen zur Hochskalierung unserer Erkenntnisse aus den Zentralen Feldversuchen und den alten Meliorationsstandorten, d.h. sie fließen in die Szenarienmodellierung und schließlich in die sozioökonomische Bewertung ein.

Gocke M.I., Don A., Heidkamp A., Schneider F., Amelung W. 2021. The phosphorus status of German cropland – an inventory of top- and subsoils. Journal of Plant Nutrition and Soil Science 184, 51-64. Doi: 10.1002/jpln.202000127.

Schneider F., Don A. 2019. Root-restricting layers in German agricultural soils. Part I: extent and cause. Plant and Soil 442, 433-451. Doi: 10.1007/s11104-019-04185-9.

Schneider F., Don A. 2019. Root-restricting layers in German agricultural soils. Part II: Adaptation and melioration strategies. Plant and Soil 442, 419-432. Doi: 10.1007/s11104-019-04186-8.

Im Rahmen von Soil³ wurden drei zentrale Feldversuche (CF) angelegt, um

• die technische und ökonomische Machbarkeit bestimmter Bearbeitungspraktiken einzuschätzen (CF1),
• den interaktiven Nutzen von Leguminosen-Vorfrüchten und mechanischer Unterbodenmelioration zu zeigen (CF 2) und
• unser Konzept der Unterbodenmelioration an einem sandigen Standort mit trockenem Klima zu validieren (CF 3).

Feldversuch 1 (Klein-Altendorf bei Bonn) wurde mit unterschiedlichen Techniken der streifenweisen Unterbodenmanipulation errichtet und besteht aus drei Teilversuchen: In CF 1-1 wurden unterschiedliche Materialien für die Unterbodenmelioration getestet (Biokompost, Grünschnittkompost, Stroh, Sägespäne). In CF 1-2 wurden die Mengen des eingebrachten Komposts variiert (30, 50 oder 70 m³/ha). In CF 1-3 wurden unterschiedliche Genotypen angebaut.

Feldversuch 2 (Klein-Altendorf bei Bonn) beinhaltet Varianten mit und ohne Luzerne als Vorfrucht. Nach dem Ende der Vorfruchtphase 2018 wurden verschiedene Methoden der mechanischen Unterbodenmelioration angewandt.

Feldversuch 3 (Thyrow bei Berlin) folgt dem Experimentdesign von CF 1 und CF 2 mit standort-angepassten Modifikationen.

Um die positiven Effekte unserer Meliorationstechnik zu demonstrieren, werden die entsprechenden Parameter und Unterbodeneigenschaften untersucht:

• Erträge und Ertragsqualität der Feldfrüchte
• verschiedene Parameter des Wurzelwachstums wie z.B. Wurzellängendichte
• grundlegende Bodeneigenschaften wie Lagerungsdichte, Kohlenstoff- und Stickstoffvorräte, pH, Textur, elektrische Leitfähigkeit
• Nährstoffgehalte und Nährstoffnutzungseffizienz
• Wassergehalte und Wasserdynamik
• Unterbodenheterogenität hinsichtlich Kohlenstoffgehalten und Bioporen
• Zusammensetzung und funktionelle Eigenschaften der mikrobiellen Gemeinschaft, Wurzelpathogene

Bauke S.L., Seidel S.J., Athmann M., Berns A.E., Braun M., Gocke M.I., Guigue J., Kautz T., Kögel-Knabner I., Ohan J., Rillig M., Schloter M., Schmittmann O., Schulz S., Uhlig D., Schnepf A., Amelung W. 2024. Short-term effects of subsoil management by strip-wise loosening and incorporation of organic material. Soil & Tillage Research 236, 105936. Doi: 10.1016/j.still.2023.105936.

Ittner S., Gerdes H., Athmann M., Bauke S.L., Gocke M., Guigue J., Jaiswal S., Kautz T., Schmittmann O., Schulz S., Seidel S. 2020. The impact of subsoil management on the delivery of ecosystem services. BonaRes Series 2020/5. Doi: 10.20387/BonaRes-BSZH-QBKN.

Jakobs I., Schmittmann O., Schulze-Lammers P. 2017. Short-term effects of in-row subsoiling and simultaneous admixing of organic material on growth of spring barley (H. vulgare). Soil Use and Management 33, 620-630. Doi: 10.1111/sum.12378.

Jakobs I., Schmittmann O., Athmann M., Kautz T., Schulze Lammers P. 2019. Cereal Response to Deep Tillage and Incorporated Organic Fertilizer. Agronomy 9, 296. Doi: 10.3390/agronomy9060296.

Schmittmann O., Christ A., Schulze Lammers P. 2021. Subsoil Melioration with Organic Material—Principle, Technology and Yield Effects. Agronomy 11, 1970. Doi: 10.3390/agronomy11101970.

Schmittmann O., Schulze Lammers P. 2023. Assessing Subsoil Conditions with an ASABE conform Vertical Penetrometer – Development and Evaluation. Sensors 23, 1306. Doi: 10.3390/s23031306.

Um die in Soil³ entwickelte Unterbodenmelioration in der landwirtschaftlichen Praxis und für verschiedene Regionen zu testen und unsere Erkenntnisse aus den Zentralen Feldversuchen an die entsprechenden Interessenten und Akteure (Landwirte, Entscheidungsträger, Verwaltungen) weiterzugeben, wurden in mehreren landwirtschaftlichen Betrieben in Regionen mit unterschiedlichen Niederschlagsmengen und Bodenqualitäten (Nordrhein-Westfalen, Brandenburg und Sachsen-Anhalt) Demoflächen installiert.

Die Demoflächen wurden außerdem genutzt, um regionalspezifische Verfahrenskennwerte, und zwar Maschinenspezifikationen, Leistungs- und Zeitbedarf, sowie Ertragseffekte auszuwerten. Dies dient der Szenarienanalyse.