Bioporengenese durch homo- und allorhize Kulturpflanzen

Abstract

Im Organischen Landbau ist ein tiefreichendes Wurzelsystem, das die Aufnahme von Wasser und Nährstoffen aus tiefen Bodenschichten ermöglicht, ein wichtiges Element zur Stabilisierung des Ertrags. Bioporen, durch Pflanzenwurzeln oder Bodentiere geschaffene Hohlräume, können Wurzeln den Zugang zum tiefen Boden erleichtern. Zudem können mit Nährstoffen angereicherte Porenwände einen zentralen Bereich der Nährstoffakquisition darstellen.<br /> Zur Untersuchung der Bioporengenese und der Reaktion von Nachfrüchten auf eine unterschiedliche Vorfruchtprägung wurden zeitversetzt (2007 und 2009) zwei identische Versuche auf einer tiefgründigen Normparabraunerde aus Löss angelegt. In der Vorfruchtphase wurde der Boden durch ein- bis dreijährigen Anbau von Luzerne, Wegwarte und Rohrschwingel geprägt. Dabei wurde der Pflanzenaufwuchs gemulcht und auf der Fläche belassen. Da eine Bodenbearbeitung unterblieb, entspricht die Anbaudauer einer Bodenruhe.<br /> Es wurde ein Einfluss der Pflanzenart und der Anbaudauer auf die erhobenen Wurzelparameter der Vorfrüchte, die Abundanz und Biomasse des Tauwurms<em> Lumbricus terrestris</em> und die Bioporendichte erwartet. In der Nachfruchtphase wurde der Einfluss der Vorfruchtnutzung auf das Wurzelwachstum von Sommerweizen, Futtermalve, Wintergerste und Winterraps geprüft. Für diese Arbeit wurden in den Jahren 2010 bis 2012 Wurzeluntersuchungen durchgeführt. Zur Bestimmung der Wurzellängendichte (WLD) in <em>bulk</em>-Boden und Bioporen kam neben der Profilwandmethode eine erweiterte Monolithmethode mit anschließender Bildanalyse zum Einsatz. Zur Ermittelung der Bioporendichte wurden Bioporen auf einer freigelegten Fläche in 45 cm bis 145 cm Bodentiefe gezählt.<br /> Die allorhizen Vorfrüchte Luzerne und Wegwarte wiesen höhere Wurzeldurchmesser und Durchwurzelungstiefen auf als der homorhize Rohrschwingel. Die Bioporendichte wurde signifikant von der Vorfruchtart, aber nicht von der Anbaudauer beeinflusst. Nach zweijährigem Wegwarte-Anbau wurde die signifikant höchste Dichte festgestellt. Demgegenüber wurden sowohl Abundanz als auch Biomasse von <em>L. terrestris</em> von einer Bodenruhe gefördert, aber nicht von der Vorfruchtart beeinflusst. Die Genese oder Stabilisierung der Bioporen im Versuch ist folglich den Pflanzenwurzeln zuzuschreiben.<br /> Unterhalb von 70 cm Bodentiefe wurde nach zweijährigem Wegwarte-Anbau oft eine erhöhte WLD der Nachfrüchte ermittelt, was mit höheren Bioporendichten einherging. Am Beispiel von Wintergerste konnte gezeigt werden, dass zwischen 45 und 145 cm Bodentiefe im Mittel etwa 20 % der erfassten Wurzeln in Bioporen wuchsen. Der berechnete Anteil von Bioporen an der Bodenoberfläche der entsprechenden Bodentiefen betrug hingegen nur 1,5 %. Es wurden also mehr Wurzeln in Bioporen festgestellt, als bei einer zufälligen Verteilung der Wurzeln zu erwarten wäre. Alle Kulturen zeigten zu einem frühen Untersuchungstermin eine vergleichsweise hohe relative WLD in Bioporen, was darauf hindeutet, dass die Besiedelung tiefer Bodenschichten durch Bioporen erleichtert wird. Der anschließende Rückgang der relativen WLD in Bioporen kann durch aus Bioporen in den bulk-Boden wachsende Wurzeln oder eine langsamere Durchdringung des bulk-Bodens verursacht worden sein.<br /> Die Ergebnisse zeigen, dass Wurzeln Bioporen bevorzugen. Dadurch kann es zu einer verbesserten Wasser- und Nährstoffaufnahme kommen, was insbesondere bei einer aufgrund des Klimawandels prognostizierten Zunahme von Trockenperioden Bedeutung für die Gestaltung der Fruchtfolge hat.

<strong>Biopore genesis through fibrous and tap root systems: Influence on root growth of subsequent crops</strong><br /> Deep-rooting crops often show a high yield stability, which is one important goal of organic agriculture. Biopores are voids created by plant roots or soil fauna which can facilitate the access of roots to the deep soil. Additionally, biopore walls are enriched with nutrients and can serve as a hot spot for nutrient aquisition.<br /> The scope of this work was to investigate the effect of precrops on biopore genenesis and the impact of the altered soil conditions on subsequent crops. Two field experiments with identical design were started in 2007 and 2009 respectively on a deep Haplic Luvisol derived from loess. In the precrop phase the soil was influenced by one, two or three years cultivation of lucerne, chicory and tall fescue. No tillage operation was carried out during fodder cropping, so that cropping duration corresponds to soil rest. The fodder crops were mulched several times and the biomass remained on the field.<br /> It was hypothesized that plant species and cropping duration have an effect on root system parameters of the chosen precrops as well as on the abundance and biomass of the earthworm Lumbricus terrestris and on numbers of biopores per unit surface area. In the second phase of the field experiment the influence of the precrop cultivation on the root systems of spring wheat, fodder mallow, winter barley and winter oilseed rape was investigated. Root investigations were carried out from 2010 to 2012. Root-length density (RLD) in bulk soil and in biopores was estimated with the profile wall method and an enhanced monolith method which was followed by image analysis. Biopore density in three diameter classes was determined in 45 cm to 145 cm soil depth on a plane horizontal surface.<br /> The taprooted precrops lucerne and chicory showed higher root diameters and higher rooting depths compared to tall fescue with a fibrous root system. Biopore density was influenced significantly by the precrop but not by the duration of fodder cropping. Chicory with its tap root system cultivated for two years resulted in the highest numbers of biopores per unit surface area. In contrast, abundance and biomass of <em>L. terrestris</em> was promoted by soil rest (cropping duration), but not by crop species. Therefore, it was concluded that the formation or stabilization of biopores in the field trial was primarily caused by plant roots.<br /> Below 70 cm soil depth RLD of fodder mallow, winter barley and oil seed rape was often higher after two years chicory precrop, corresponding to the higher biopore density. For winter barley it was shown that 20 % of the total RLD (mean value for 45–145 cm soil depth) was situated in biopores whereas the area of the biopores added up to only 1.5 % of the soil surface in the corresponding soil depths. The amount of roots inside biopores was therefore much higher than expected, assuming a random distribution of roots in the soil. At the beginning of the season all crops showed a comparatively high relative RLD in biopores. This suggests that biopores facilitate roots to reach deeper soil layers. The decline of RLD in biopores later in the season can be attributed to roots growing from the biopore into the bulk soil or the slower growth of roots in the bulk soil.<br /> The results show that the cultivation of taprooted plants can enhance biopore numbers per unit surface area and that roots of following crops show a preference for biopores. Due to improved water and nutrient uptake this may be of particular importance for the design of crop rotations especially when taking into account the increase of dry spells due to climate change.