11 Wurzelwachstum in konservierenden Bodenbearbeitungssystemen
Konservierende Bodenbearbeitung ist definiert als jede Bodenbearbeitungssequenz, deren Ziel es ist, den Verlust von Boden und Wasser zu minimieren oder zu reduzieren; operationell eine Kombination aus Bodenbearbeitung oder Bodenbearbeitung und Bepflanzung, die eine Bedeckung von 30 % oder mehr mit Ernterückständen auf der Oberfläche hinterlässt (Soil Science Society of America, 2008). Die Vorteile der konservierenden Bodenbearbeitung liegen in der Verringerung der Bodenerosion, der Erhaltung der Bodenfeuchtigkeit, der Vermeidung von Schwankungen der Bodentemperatur in der Tiefe des Ackerbodens und der Senkung der Kosten für die Bodenbearbeitung. Darüber hinaus wird der Einsatz konservierender Bodenbearbeitung als Teil einer Strategie zur Verringerung des Kohlenstoffverlustes aus landwirtschaftlichen Böden gefördert (Kern und Johnson, 1993). Die Zersetzungsraten sind bei Direktsaat im Allgemeinen langsamer als bei konventioneller Bodenbearbeitung, bei der die Zersetzung der organischen Bodensubstanz durch die Umwälzung des Bodens und die Veränderung des Mikroklimas im Boden gefördert wird (Parton et al., 1996). Holland und Coleman (1987) vermuteten, dass die C-Speicherung bei Direktsaat erhöht ist, weil die oberflächlichen Rückstände hauptsächlich von Pilzen abgebaut werden, die eine höhere Assimilationsleistung haben als die Bakterien, die die Zersetzungsprozesse der in den Boden eingemischten Rückstände dominieren. Gale und Cambardella (2000) berichteten, dass es einen deutlichen Unterschied in der Verteilung von Oberflächenrückständen und aus den Wurzeln stammendem C während der Zersetzung gibt, und vermuten, dass die positiven Auswirkungen der Direktsaat auf die Zunahme des organischen C im Boden in erster Linie auf die verstärkte Rückhaltung des aus den Wurzeln stammenden C im Boden zurückzuführen sind. Das Wissen darüber, wie Pflanzenwurzelsysteme bei konservierender Bodenbearbeitung wachsen, ist wichtig, da diese Praxis in vielen Ländern der Welt weit verbreitet ist, vor allem in Ländern wie den USA, Brasilien, Argentinien, Kanada und Australien (Bolliger et al., 2006). Schätzungen zufolge werden heute 45 % der gesamten Anbaufläche in Brasilien mit konservierender Bodenbearbeitung bewirtschaftet, in Südbrasilien sogar mehr als 80 % (Bolliger et al., 2006).
Die konservierende Bodenbearbeitung verringert die Bodenerosion, bewahrt die Bodenfeuchtigkeit, spart Energie, erhöht den Gehalt an organischer Substanz im Boden und damit auch die Bodenqualität. Die konservierende Bodenbearbeitung kann jedoch die oberflächlichen Bodenhorizonte verdichten und zu einem schlechten Wurzelwachstum führen. Die nachteiligen Auswirkungen der Bodenverdichtung auf die Pflanzenproduktion sind seit vielen Jahren bekannt. Cato der Ältere (234-149 v. Chr.) schrieb, dass das erste Prinzip einer guten Pflanzenzucht darin besteht, gut zu pflügen, und das zweite Prinzip darin, erneut zu pflügen, vermutlich um ein „weiches“ (gut belüftetes) Saatbett zu schaffen (Unger und Kaspar, 1994). Die konservierende Bodenbearbeitung erhöht die Schüttdichte des Bodens (Martino und Shaykewich, 1994), was das Wurzelwachstum im oberen Teil des Bodenprofils hemmen kann (Cannell, 1985; Lampurlanes et al., 2001) und die Nährstoffaufnahme und das Pflanzenwachstum verringert (Peterson et al., 1984). Qin et al. (2004) berichteten, dass die Dichte der Weizenwurzellänge, der mittlere Wurzeldurchmesser und der Anteil der Wurzeln mit kleinem Durchmesser bei Direktsaat geringer waren als bei konventioneller Bodenbearbeitung. Der Wurzeldurchmesser kann ein Indikator für die Auswirkungen der Bodenfestigkeit auf das Wurzelwachstum sein und beeinflusst die Nutzung der Nährstoffe im Boden. Sidiras et al. (2001) berichteten über dickere Gerstenwurzeln unter konventioneller Bodenbearbeitung als unter Direktsaat. Im Allgemeinen beträgt die Schüttdichte, die das Wurzelwachstum behindert, 1,55 Mg m- 3 für lehmige Böden, 1,65 Mg m- 3 für schluffige Böden, 1,80 Mg m- 3 für sandige Böden und 1,85 Mg m- 3 für lehmige Feinsande (Miller, 1986).
Bodenbearbeitungsbedingte Unterschiede im Nährstoffstatus des Bodens können ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf das Wurzelwachstum haben (Qin et al., 2004). Die konservierende Bodenbearbeitung führt häufig zu einer Schichtung von Bodennährstoffen, insbesondere von immobilen Nährstoffen wie P (Crozier et al., 1999; Holanda et al., 1998; Logan et al., 1991). Dies führt zu einer höheren Bodenfruchtbarkeit in der Nähe der Bodenoberfläche, die im Gegensatz zu den oben beschriebenen Auswirkungen der Verdichtung eine Zunahme der Wurzellängendichte in der Nähe der Bodenoberfläche bei konservierender Bodenbearbeitung bewirkt (Cannell und Hawes, 1994; Gregory, 1994). Häufig ist das Wurzelwachstum von 0 bis 5 cm in konservierenden und pfluglosen Systemen größer als in konventionellen Bodenbearbeitungssystemen (Chan und Mead, 1992; Rasmussen, 1991; Wulfsohn et al, 1996).
Radiale Wurzelschwellungen wurden bei Lupinen (Lupinus angustifolius L.) in verdichtetem Boden (Atwell, 1989), bei Gerste (H. vulgare L.) unter mechanischem Druck (Wilson et al., 1977) und bei Senf (Brassica sp.) in trockenem Boden (Vartanian, 1981) festgestellt. Untersuchungen zur Wurzelverlängerung von Baumwolle in Abhängigkeit von der Bodenfestigkeit und dem Wassergehalt des Bodens zeigten, dass die Wurzelverlängerung stärker auf die Bodenfestigkeit als auf den Wassergehalt reagiert (Taylor und Ratliff, 1969). Das Wurzelvolumen war weniger betroffen als die Länge, was auf eine Zunahme des Wurzeldurchmessers hindeutet (Ball et al., 1994). Chassot et al. (2001) berichteten, dass die konservierende Bodenbearbeitung die Bodentemperatur senkt, was der Hauptgrund für das schlechte Wachstum der Wurzeln und Sprossen von Maissämlingen im Vergleich zur konventionellen Bodenbearbeitung unter feuchten Bedingungen der gemäßigten Zone sein könnte.
In Anbetracht der vielen Vorteile der konservierenden Bodenbearbeitung im Vergleich zur konventionellen Bodenbearbeitung können die Auswirkungen der Bodenverdichtung durch die konservierende Bodenbearbeitung minimiert werden. Unger und Kaspar (1994) berichteten, dass der Anbau von tiefwurzelnden Pflanzen in der Fruchtfolge dazu beiträgt, Verdichtungen zu vermeiden oder zu verringern, die Wurzelverteilung zu verbessern und die Durchwurzelungstiefe zu erhöhen. Diese Autoren berichteten auch, dass Wetterbedingungen und Bodenfeuchtigkeit die Auswirkungen der Verdichtung auf das Wurzelwachstum verstärken oder abschwächen können. Selbst wenn die Verdichtung das Wurzelwachstum einschränkt, können nachfolgende Wetterereignisse die Wirkung der Wurzelbeschränkung auf das Pflanzenwachstum entweder verstärken oder abschwächen. Der Erstautor hat Feldversuche mit einer Reis-Trockenbohnen-Fruchtfolge auf brasilianischen Oxisolen mit konservierender Bodenbearbeitung durchgeführt. Das Wurzelsystem des Hochlandreises wurde beeinträchtigt, und die Reiserträge waren gering (etwa 2000 kg ha-1), etwa halb so hoch wie in einem Feldversuch mit konventioneller Bodenbearbeitung und günstigen Umweltbedingungen erwartet. Die Trockenbohnenerträge lagen jedoch bei über 3000 kg ha- 1 (Fageria, 2008; Fageria und Stone, 2004). Daher ist die Auswahl der geeigneten Kultur wichtig.