Stoppelbearbeitung: Den Grubber schön flach halten
Mit der Lysimeteranlage Buttelstedt wurde der Wasserverbrauch des Bodens bei verschiedenen Varianten der Stoppelbearbeitung und -bedeckung mit Stroh ermittelt.
Von Dr. Steffi Knoblauch, Thüringer Landesamt für Landwirtschaft und Ländlichen Raum
Nach der Ernte von Winterraps und Getreide ab Mitte Juli und Anfang August herrscht in der Regel ein hoher Verdunstungsanspruch der Atmosphäre vor. Niederschläge, die in dieser Zeit fallen und den Bodenwasserspeicher füllen, können zu einem hohen Anteil durch Verdunstung wieder verloren gehen. Das Keimen und die pflanzliche Entwicklung der Neuansaaten (Winterraps, Wintergetreide, Zwischenfrüchte) kann dadurch empfindlich gestört werden.
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Die Bewirtschaftung der Lysimeter erfolgt ackerbaulich mit einer für das Thüringer Becken typischen Fruchtfolge (Winterraps, Winterweizen, Silomais, Sommergerste). Im Jahr 2010 wurde ein flacher Stoppelsturz mit Stroh verglichen mit einer Strohdecke auf einem unbearbeiteten Boden.
Im Jahr 2015 erfolgte der Vergleich zwischen einem flachen Stoppelsturz mit Stroh und einem von Stroh beräumten baren Boden. In den Jahren 2016 und 2018 kamen eine flache und eine tiefe Stoppelbearbeitung mit Stroh zur Prüfung. Für die Bearbeitung des Bodens dienten Hacke oder Spaten, bei flacher Bearbeitung bis in 6 cm Tiefe und bei tiefer Bearbeitung bis in 14 cm Tiefe. Die Strohhäcksel wurden zuvor leicht angedrückt, der Boden einmal bearbeitet, das Stroh mit dem Boden vermischt und in etwa eine Boden- Aggregierung wie unter Feldbedingungen hergestellt.
Im Anschluss erfolgte einer nachlaufenden Walze entsprechend ein leichtes Andrücken mit einem Harken. Eine mit Strohhäcksel bedeckte Bodenoberfläche verdunstete im Vergleich zu einem flachen Stoppelsturz eines zuvor mit Strohhäcksel bedeckten Bodens 0,5 mm/d weniger im Mittel der folgenden acht Tage (Tab. 1). Der Unterschied war signifikant.
In einer sich daran anschließenden Periode, in der der mit Strohhäcksel bedeckte Boden ebenfalls einem flachen Stoppelsturz unterzogen wurde, glichen sich die Verdunstungswerte der beiden Varianten an und bestätigten die signifikante Minderung der Verdunstung durch eine Strohdecke im Vergleich zu einem flachen Stoppelsturz. Das Niederschlagsaufkommen während des Untersuchungszeitraumes war mit 4,7 mm/d überdurchschnittlich. Der Normalwert der Monate Juli und August liegt bei 2,1 mm/d.
Unterschiedlicher Wasserverbrauch
Der nach der Ernte ohne Strohbedeckung und ohne Bearbeitung zurückgebliebene Boden verbrauchte im Vergleich zu einem mit Strohhäcksel bedeckten und flach bearbeiteten Boden 0,4 mm/d mehr Wasser über einen Zeitraum von sechs Tagen (Tab. 2). Der Unterschied war signifikant. Nachdem der Boden mit Strohhäcksel bedeckt und ebenfalls einem flachen Stoppelsturz unterzogen wurde, glichen sich die Verdunstungswerte wieder an. Während der Periode mit differenzierter Bewirtschaftung regnete es kaum und wurde durch einen flachen Stoppelsturz mit Stroh der Bodenwasservorrat im Vergleich zu einem unbedeckten Boden geschont.
In beiden Jahren traten die höchsten Werte der Verdunstung (2 bis 2,4 mm/d) innerhalb von drei bis vier Tagen nach der Ernte auf, in denen der Boden versuchsbedingt (Abfuhr der Ganzpflanze zur Ertragserfassung) keine Strohbedeckung hatte und nicht bearbeitet worden war. Daran zeigt sich, dass die obere Bodenzone kurz vor der Ernte häufig einen gewissen Wasservorrat aufweist. Das liegt daran, dass ein in Abreife befindlicher Getreidebestand ab etwa 14 Tage vor der Ernte nicht mehr viel verdunstet (0,5–2 mm/d) und Niederschläge, die in diesem Zeitraum fallen, beginnen, den Bodenwasservorrat anzufüllen. Eine darauf abgelegte Strohdecke kann dieses Wasserangebot am besten schützen.
Flache Stoppelbearbeitung spart Wasser
Bei einem Stoppelsturz mit einer Bearbeitungstiefe von 14 cm lag die Verdunstung in den folgenden vier Tagen in beiden Versuchsjahren um etwa 0,3 mm/d höher als bei einem 6 cm tiefen Stoppelsturz (Tab. 3).
In beiden Jahren gab es in diesen ersten vier Tagen kaum Niederschlag und wurde der zu Beginn vorhandene Bodenwasservorrat für die Verdunstung in Anspruch genommen. In den darauffolgenden 13 bzw. 9 Tagen regnete es im Jahr 2016 4 mm/d, im Jahr 2018 waren es 2,8 mm/d.
Im Mittel dieses niederschlagsreichen Abschnittes lag die Verdunstung bei tiefer Stoppelbearbeitung in beiden Jahren um 0,5 mm/d höher als bei flacher Bearbeitung. Daran schloss sich in den folgenden zehn Tagen in beiden Jahren eine sehr trockene Periode an. Zwischen flacher und tiefer Bearbeitung war kein Unterschied mehr erkennbar.
Im Untersuchungszeitraum vom 22. Juli bis 17. August 2016 regnete es insgesamt 58 mm. Davon wurden bei flacher Stoppelbearbeitung 39 mm und bei tiefer Stoppelbearbeitung 48 mm für die Verdunstung verbraucht. Somit blieben bei flacher Stoppelbearbeitung 9 mm mehr Wasser im Bodenwasserspeicher zurück. Im Versuchsjahr 2018 unterschied sich die Verdunstung zwischen flacher und tiefer Stoppelbearbeitung bei einem geringeren Niederschlagsangebot um 7 mm.
Auffällig war, dass in beiden Jahren in den ersten vier Tagen nach der tiefen Stoppelbearbeitung die Verdunstung beim tonreicheren Verwitterungsboden deutlich höher ausfiel als beim Löss. Einer Ansprache des Bodengefüges im Jahr 2018 zufolge wies dieser Boden bei tiefer Stoppelbearbeitung ein mittleres bis grobes Bröckelgefüge (60 % der Bröckel 5 bis 30 mm) auf, während beim Lössboden ein feines Bröckelgefüge (70 % der Bröckel <5 mm) zu verzeichnen war. Insgesamt fiel der Unterschied zwischen flacher und tiefer Stoppelbearbeitung beim Lössboden weniger stark aus als beim Verwitterungsboden.
Diskussion der Ergebnisse
Die Verdunstung des Bodens wird maßgeblich beeinflusst durch die Einstrahlungsenergie und die Albedo der Bodenoberfläche. Die Albedo definiert das Rückstrahlvermögen von diffus reflektierenden, also nicht selbst leuchtenden Oberflächen von 0 bis 1 bzw. 0 bis 100 %. Sie entscheidet darüber, wie viel von der eingestrahlten Energie an die Atmosphäre zurückgestrahlt wird.
Je höher die Albedo, desto weniger steht für die Umsetzung der Energie in Verdunstung zur Verfügung. Bei einer geschlossenen Strohdecke ist die Albedo höher als bei einer durch flachen Stoppelsturz erzeugten Mischschicht aus Boden und Stroh, die im Versuchsjahr 2010 einen Strohbedeckungsgrad von etwa 50 % aufwies. Durch eine vollständig mit Stroh bedeckte Bodenoberfläche wird somit der Anteil der für die Verdampfung des Bodenwassers wirksamen Energieeinstrahlung stärker vermindert als bei einem Gemisch aus Stroh und Boden.
Der Standort und die Lysimeter
Der Versuchsstandort befindet sich am südöstlichen Rand des Thüringer Beckens, einem Teil des mitteldeutschen Trockengebietes. Der vieljährige Jahresniederschlag beträgt 535 mm, das vieljährige Temperaturmittel 9,0 °C (1981 bis 2010).
Bei den Versuchsböden handelt es sich um zwei für das Thüringer Becken typische Böden, eine tiefgründige Braunerde-Schwarzerde aus Löss und eine Pararendzina aus unterem Keuper. Der Lössboden ist im Hinblick auf die Bodenart einem schluffigen Lehm (27 % Ton) zuzuordnen, der Verwitterungsboden aus Keuper einem stark tonigen Lehm (39 % Ton).
Lysimeter sind mit Boden befüllte Behälter mit einer am unteren Ende befindlichen Vorrichtung zur Gewinnung des Sickerwassers. Mittels Wägeeinrichtungen dienen sie der Bestimmung der Verdunstung und des Niederschlages. Die Lysimeteranlage Buttelstedt besteht aus 16 wägbaren Feldlysimetern. Die Lysimeter sind monolithisch befüllt, weisen eine Oberfläche von 2 m2 und eine Tiefe von 2 bzw. 2,5 m auf.
Die Verdunstung des Bodens wird des Weiteren bestimmt vom Sättigungsdefizit der oberflächennahen Luft, dem Potenzialgradienten zum oberflächennahen Bodenwasser, der ungesättigten Wasserleitfähigkeit des Bodens und der Windgeschwindigkeit. Durch eine Strohdecke wird der sich in der bodennahen Luftschicht ansammelnde Wasserdampf vor dem Abtransport durch den Wind länger geschützt, wodurch der den Wasserdampffluss antreibende Gradient zum oberflächennahen Bodenwasser länger geringer gehalten wird.
Die bei einem flachen Stoppelsturz erzeugte dickere und mit Bodenteilchen vermischte Schicht kann mehr Niederschlagswasser speichern als die Strohdecke. Gleichzeitig begünstigen die durch Lockerung hergestellten Hohlräume Luftturbulenzen, die den aus den Bodenaggregaten austretenden Wasserdampf schneller zur Atmosphäre abtransportieren. Das bedeutet, der vergrößerte Bodenwasserspeicher der Stroh-Boden-Schicht wird auch schnell wieder entleert bei entsprechenden Bedingungen der Einstrahlung.
Begünstigt wird dieser Prozess durch eine verminderte Wärmeleitfähigkeit der gelockerten Schicht. Hohe Temperaturen werden weniger in den Unterboden übertragen, verbleiben in der gelockerten Schicht und erhöhen die Verdunstung.
Tiefe Bodenbearbeitung fördert Verdunstung
Der höhere Wasserverbrauch eines nach der Ernte baren, unbearbeiteten Bodens im Vergleich zum flachen Stoppelsturz mit Stroh kann einerseits mit der geringeren Albedo und der dadurch höheren Einstrahlungsenergie, andererseits mit dem schnelleren Abtransport des aus dem Boden austretenden Wasserdampfes durch den Wind erklärt werden.
Zwischen flacher und tiefer Stoppelbearbeitung eines mit Stroh bedeckten Bodens zeigte sich in den Versuchsjahren 2016 und 2018 unter dem Einfluss niederschlagsnormaler und trockener Witterung ein signifikanter Unterschied. Tiefere Bearbeitung führte in den folgenden 13 bzw. 17 Tagen zu einer um 0,4 mm/d höheren Verdunstung. Eine Ursache dafür ist der bei tieferer Bearbeitung geringere Bedeckungsgrad mit Stroh und dem daraus folgenden höheren Input an Einstrahlungsenergie.
In den ersten vier Tagen war das Niederschlagsaufkommen sehr gering und resultierte der Wasserverbrauch vor allem aus dem zuvor vorhandenen Bodenwasservorrat. Der Unterschied zwischen flacher und tiefer Bearbeitung war in diesen Tagen beim lehmig-tonigen Verwitterungsboden deutlich stärker ausgeprägt als beim lehmig-schluffigen Lössboden. Der Verwitterungsboden wies nach der Bearbeitung ein mittleres bis grobes Bröckelgefüge auf, während beim Lössboden ein feinbröckeliges Gefüge zu verzeichnen war. Das beim Verwitterungsboden gröbere Gefüge hatte offenbar stärker als beim Lössboden Luftturbulenzen begünstigt, wodurch es zu einer höheren Verdunstung kam.
Ein weiterer Aspekt für die Verdunstungsunterschiede zwischen flacher und tiefer Bearbeitung ist auch hier die geringere Wärmeleitfähigkeit einer gelockerten Schicht, wodurch die Temperatur in dieser Schicht stärker ansteigt. Bei tieferer Bearbeitung wird dadurch ein größerer Bodenwasserspeicher einer höheren Temperatur ausgesetzt und die Verdunstung dadurch begünstigt.
FAZIT
Eine Strohdecke mindert nach der Ernte der Kulturen den Wasserverlust aus dem Boden am stärksten. Eine Stoppelbearbeitung, die aus ackerbaulicher Sicht eine wichtige Maßnahme darstellt (Begünstigung des Aufwuchses von Ausfallgetreide, Ingangsetzen der Strohrotte, Zurückdrängen von Schaderregern durch Begünstigen des mikrobiellen Umsatzes im Boden, mechanische Bekämpfung von auflaufendem Getreide oder Raps), sollte zur Vermeidung hoher Verdunstungsverluste so flach wie möglich ausgeführt werden.
Bei Trockenheit kann es zur Vermeidung hoher Verdunstungsverluste günstig sein, die tiefere Bodenbearbeitung in eine strahlungsärmere Periode hinauszuzögern. Das dabei hergestellte Gefüge sollte nicht zu grob sein, um den Abtransport des Wassers durch Luftturbulenzen nicht zu begünstigen. Die nach oben abschließende Schicht sollte deshalb feinkrümelig ausgeführt werden. Entscheidend ist aber, die Tiefe der Bearbeitung zu begrenzen.
