Root-restricting layers in German agricultural soils

Abstract

Subsoil, i.e., soil below 30 cm depth, harbours great amounts of water and nutrients. However, physical and chemical barriers for vertical root elongation may restrict plants from accessing subsoil resources. Such root-restricting soil layers (RRLs) were subject of the present thesis. Focusing on agricultural soils in Germany, the major aims of this thesis were to (i) identify the main soil-borne causes for restricted vertical root elongation, (ii) examine the effects of RRLs on the productivity function and carbon (C) storage function of soil, (iii) quantify the contribution of anthropogenically compacted soil to the spatial extent of RRLs, and (iv) evaluate management strategies for agricultural soil with RRLs. <br /> Most of this thesis has evolved from data of the first German Agricultural Soil Inventory (2011-2018), which comprises information on the soil and management at 3104 sites covering all agricultural land in Germany in a regular 8 km x 8 km grid. For describing the cause and extent of root restriction, literature was reviewed for threshold values, which were subsequently validated with root count data from the inventory. Effects of RRLs on the productivity function and C storage function of soil were examined by comparing yield of winter wheat and depth gradients of organic C densities at different magnitudes of root restriction (inventory data). Additionally, a global meta-analysis of long-term field experiments was carried out to compare yield of annual crops growing on sites with RRLs to adjacent sites where RRLs were previously meliorated by deep tillage. Anthropogenic soil compaction in German agricultural soils was quantified with a novel, data-driven approach. Management options were examined in a literature review and the popularity of these options was assessed based on the inventory. <br /> The dominant soil-borne cause for restricted elongation of deep roots was high compactness - almost half (46 %) of German agricultural land was compacted to an extent that restricted root growth. Other causes included groundwater-induced anoxia (14 %), sandy subsoil texture (12%), acidity (10%), large rock fragment content (8%), shallow bedrock (6%), and cementation (2%). These RRLs significantly decreased the productivity function of soils. In the meta-analysis of long-term field experiments, RRLs decreased yield of annual crops on average by about 20 %. On German farms, grain yield of winter wheat was on average 0.5 Mg ha-1 (6%) lower in the presence of severe RRLs compared to reference sites without RRLs. Anthropogenic compaction has significantly increased the spatial extent of RRLs in German agricultural soils. About 10% of cropland was estimated to be compacted due to traffic, 1 % due to organic C loss-induced collapse of soil structure, and further 2 % due to a combination of both factors. German farmers either accepted the presence of RRLs and adapted land use and management accordingly or they meliorated affected sites. Melioration measures included drainage (45%), deep loosening (6% at least once within ten years prior to sampling), deep ploughing (5% at least once in history), and liming to correct soil acidity (54%). <br /> In the upper metre of German agricultural soils, about 30 % of the available water capacity, 30 % of total phosphorus and 20 % of total nitrogen resources were hidden below RRLs. Thus, the melioration of RRLs could significantly improve plant nutrition. Furthermore, the melioration of RRLs could increase the transfer of atmospheric C into the subsoil via deep roots and increase soil C storage. It was estimated that compacted cropland with packing densities >1.75 g cm-3 could store up to 2.3 Mg ha-1 more organic C in 30-100cm if sustainably meliorated (loosened). However, not every soil is capable of being meliorated. In terms of a sustainable bioeconomy, it is therefore of central importance to stop the further spread of RRLs and prevent traffic-induced soil compaction.

<strong>Durchwurzelbarkeit landwirtschaftlich genutzter Böden in Deutschland</strong> <br /> Ein großer Anteil der im Boden gespeicherten Nährstoff- und Wasser-Ressourcen befindet sich im Unterboden, d. h. im Bodenmaterial unterhalb 30 cm Tiefe. Jedoch sind diese oft nur begrenzt pflanzenverfügbar, da Wurzeln aufgrund eingeschränkter Gründigkeit nicht bis in den Unterboden einzudringen vermögen. Die vorliegende Arbeit handelt von der Durchwurzelbarkeit landwirtschaftlich genutzter Böden. Mit Blick auf Deutschland sollte untersucht werden, (i) welche Bodeneigenschaften die Durchwurzelbarkeit einschränken, (ii) wie sich die eingeschränkte Durchwurzelbarkeit auf Produktivitäts- und Kohlenstoffspeicherfunktionen von Böden auswirkt, (iii) wie sehr anthropogene Schadverdichtung zur Verbreitung eingeschränkt durchwurzelbarer Böden beigetragen hat, und (iv) wie die Bewirtschaftung schlecht durchwurzelbarer Böden optimiert werden kann. Der größte Teil der vorliegenden Arbeit beruht auf Auswertungen der Bodenzustandserhebung Landwirtschaft (BZE-LW), im Rahmen derer zwischen 2011 und 2018 Boden- und Bewirtschaftungsdaten von insgesamt 3104 Acker-, Grünland-, und Dauerkultur- Standorten in einem 8 km x 8 km Raster erhoben wurden. Zur Bewertung der Durchwurzelbarkeit wurden internationaler Fachliteratur Schwellenwerte entnommen, welche anhand von Wurzel-Erhebungen der BZE-LW überprüft wurden. Um Effekte von Durchwurzelbarkeit auf die Produktivitäts- und Kohlenstoffspeicherfunktionen von Böden abzuschätzen, wurden Kornerträge von Winterweizen sowie Kohlenstoffvorräte von Standorten mit unterschiedlich stark eingeschränkter Durchwurzelbarkeit miteinander verglichen (BZE-LW). Zusätzlich wurde eine globale Meta-Analyse von Dauerfeldversuchen mit Ertragsdaten von Flächen mit eingeschränkter Durchwurzelbarkeit und benachbarten Flächen mit verbesserter (meliorierter) Durchwurzelbarkeit durchgeführt. Managementoptionen für eingeschränkt durchwurzelbare Böden wurden anhand einer Literaturstudie eruiert und die Popularität dieser Optionen wurde auf Grundlage der BZE-LW bewertet. <br /> Auf fast der Hälfte (46%) der landwirtschaftlichen Nutzfläche Deutschlands schränkte ein besonders dicht gelagertes Bodengefüge die Durchwurzelbarkeit ein - weitere Ursachen waren grundwasserinduzierter Sauerstoffmangel (14%), sandige Unterbodentextur (12%), starke Versauerung (10%), hoher Skelettanteil (8%), anstehendes Festgestein (6%) und verkittetes Bodengefüge (2%). In der globalen Meta-Analyse von Dauerfeldversuchen zeigten einjährige Ackerkulturen auf schlecht durchwurzelbare Böden durchschnittlich um etwa 20 % niedrigere Erträge als benachbarte, meliorierte Flächen. Auf deutschen Äckern waren die Kornerträge von Winterweizen bei stark eingeschränkter Durchwurzelbarkeit durchschnittlich um 0.5 Mg ha-1 (6 %) geringer als auf normal durchwurzelbaren Referenzböden. Anthropogene Schadverdichtung hat signifikant zur Verbreitung schlecht durchwurzelbarer Ackerböden beigetragen. Es wird geschätzt, dass etwa 10% der deutschen Ackerfläche durch Befahrung schadverdichtet wurde, 1 % durch den Verlust organischer Bodensubstanz, und weitere 2 % in Kombination beider Faktoren. In der landwirtschaftlichen Praxis wurde entweder das Vorhandensein eingeschränkter Durchwurzelbarkeit akzeptiert und Landnutzung sowie Bewirtschaftung daran angepasst, oder die betroffenen Standorte wurden melioriert. Zu den Meliorationsmaßnahmen gehörten Drainage (45%), Tiefenlockerung (6% mindestens ein Mal in 10 Jahren vor Probennahme), Tiefpflügen (5% mindestens ein Mal) und Aufkalkung (54%). <br /> Etwa 30 % der nutzbaren Feldkapazität, sowie jeweils 30 % und 20 % der im oberen Meter gespeicherten Gesamtvorräte an Phosphor und Stickstoff verbargen sich unterhalb des durchwurzelbaren Bodenraumes. Meliorationsmaßnahmen zur Förderung der Durchwurzelbarkeit könnten die Pflanzenernährung stark verbessern. Darüber hinaus könnten Meliorationen den Eintrag wurzelbürtigen Kohlenstoffs in den Unterboden und somit dessen Kohlenstoffspeicherfunktion stärken. Es wird geschätzt, dass durch Gefügemelioration von Ackerböden mit effektiven Lagerungsdichten >1.75 g cm-3 bis zu 2.3 Mg ha-1 zusätzlich in 30-100 cm gespeichert werden könnten. Jedoch ist nicht jeder Boden meliorationsfähig. Im Sinne einer nachhaltigen Bioökonomie ist es deshalb von zentraler Bedeutung, eine weitere Ausbreitung schlecht durchwurzelbarer Böden zu verhindern und Bodenschadverdichtung durch gute fachliche Praxis zu vermeiden.