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Pflanze

Forschungsprojekt belegt Vorteile für Zwischenfruchtmischungen – Artenreichtum bringt Vorsprung

Wissenschaftler mit Kammer zur Untersuchung der CO2 Aufnahme der Pflanzen

In dem Projekt CATCHY wird untersucht, wie sich Zwischenfrüchte bzw. Zwischenfruchtmischungen auf den Boden und dessen Biologie und damit auf die Erträge der Hauptfrüchte auswirken. Quelle: Gentsch et al.

Mit den Greening-Auflagen und den Programmen für vielfältige Fruchtfolgen hat sich auch der Zwischenfruchtanbau in Deutschland geändert. Haben früher viele Betriebe einfach Senf oder Ölrettich angebaut, so sind es jetzt vermehrt artenreiche Mischungen. Das CATCHY-Forschungsprojekt belegt die Wirkung dieser Mischungen.

Zwischenfrüchte haben viele positive Funktionen: Sie verhindern Bodenabtrag durch Erosion und Nährstoffauswaschung im Herbst und bringen die Nährstoffe ins Frühjahr. Außerdem erhöhen sie die organische Substanz im Boden und damit den Humusvorrat. Je höher die organische Substanz, umso aktiver ist das Bodenleben. Nicht zuletzt sind Zwischenfrüchte Rückzugsort für viele Insekten und erhöhen auch hier die Artenvielfalt und Biodiversität.

Im Forschungsprojekt CATCHY (siehe Kasten unten) werden hoch diverse Zwischenfrucht-Mischungen mit Zwischenfrucht-Reinsaaten und Brache als Kontrolle verglichen. Das Projekt läuft seit 2010 und noch bis 2019. Die Wissenschaftler untersuchen in zwei unterschiedlichen Fruchtfolgen mit Weizen-Mais und mit Weizen-Ackerbohnen, wie sich Zwischenfrüchte auf den Boden und dessen Biologie und auf die Erträge der Hauptfrüchte auswirken. Verglichen wurden die Zwischenfrucht-Varianten Brache, Senf, Rauhafer, Alexandriner Klee und Phacelia als Reinsaaten sowie eine Vierer-Mischung aus diesen Komponenten und die TerraLife-Mischung MaisPro TR mit 12 unterschiedlichen Arten, darunter viele Leguminosen.

Umso mehr Arten, umso mehr mikrobielle Aktivität im Boden

Grafik zur mikrobiellen Biomasse

Mit der Artenvielfalt in den Zwischenfrüchten steigt auch die Wurzelbiomasse. Quelle: Gentsch et al.

Erste Ergebnisse belegen die Überlegenheit artenreicher Mischungen. So steigt zum Beispiel die Wurzelbiomasse mit der Artenvielfalt der Zwischenfrüchte. Weil die verschiedenen Arten unterschiedliche Wurzelstockwerke bedienen, nehmen sie dadurch die Nährstoffe optimal auf und speichern sie. Auch die Zwischenfruchtstreu wird besser mineralisiert, wodurch die Nachlieferung der Hauptnährstoffe Stickstoff, Phosphor, Kalium und Magnesium steigt.

Artenreiche Zwischenfruchtmischungen ermöglichen durch ihren höheren Blattflächenindex eine höhere Photosyntheseleistung. Die Photosyntheseprodukte wie z.B. Zucker werden schneller in den Wurzelraum transportiert und helfen hier beim Aufbau der mikrobiellen Biomasse. So wird die mikrobielle Aktivität gesteigert. Davon profitieren insbesondere die Mykorrhiza-Pilze. Die Bakterien des Stickstoffkreislaufs profitieren besonders von der energiereichen Zwischenfruchtstreu.

Der Bodenkunde-Wissenschaftler Dr. Norman Gentsch vom Institut für Bodenkunde der Leibniz Universität Hannover stellte in seinen Untersuchungen fest, dass bei steigender Artenvielfalt der Zwischenfrüchte der Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf optimiert wird und die Mineralisation der Zwischenfruchtstreu sich verbessert. Aufgrund des verbesserten Nahrungsangebotes steigen die Aktivität und die Biomasse der Mikroorganismen im Boden.

Bessere Lebendverbauung gut für die Nachfrucht

Die Untersuchungen auf einem Schlag im Landkreis Nienburg belegten diese Zunahme der mikrobiellen Aktivität: Die mikrobielle Biomasse in der Brache war am niedrigsten und stieg unter den Zwischenfrucht Varianten im Herbst von Senf über die Vierer-Mischung bis hin zur artenreichen 12er-Mischung an. Die Diversität der am Streuumsatz beteiligten Mikroorganismen war umso höher, je mehr Pflanzenarten in der Mischung beteiligt waren.

Durch das optimierte Nahrungsangebot in der artenreichen Mischung wurden besonders die Bakterien stimuliert, die an der Stickstoffmineralisation beteiligt sind. Die Gründe: Jede Pflanzenart hat andere Nährstoffbedürfnisse, manche Pflanzen gehen mit Rhizobien oder Mykorrhizapilzen Symbiosen ein. Sie geben artenspezifische Wurzelausscheidungen (Exsudate) an die Rhizosphäre ab, die die Mikrobiologie zum Nähstoffaufschluss und zur Pathogenabwehr aktivieren. Darüber hinaus wird der Aufbau der sekundären Bodenstruktur mit der Lebendverbauung begünstigt, wovon die Nachfrucht profitiert.

Artenreiche Mischungen mobilisieren Nährstoffe

Grafik zur Nährstofffreisetzung aus Zwischenfruchtstreu unter der Folgefrucht Mais

Die Mischung Terra Life Mais Pro TR stellen größere Mengen N,P,K und Mg bereit als Senf in Reinsaat oder eine Mischung aus Senf Phacelia, Alexandrinerklee und Rauhafer (Mix4). Die zusätzlichen Nährstoffe können bei der Düngung berücksichtigt werden. Quelle: Gentsch et al.

Doch die Zwischenfrucht soll nicht nur die Bodenfruchtbarkeit erhöhen, sondern auch die Nährstoffe mobilisieren und der Nachfrucht zur Verfügung stellen. Auch hier punktete die auf Maisfruchtfolgen spezialisierte hoch diverse Mischung. Im Vergleich zu Senf oder einfachen Mischungen aus vier Komponenten stellte sie 20 kg N/ha mehr zur Verfügung (insgesamt 60 kg N/ha). Dies gilt auch für die wichtigen Nährstoffe Kalium (+ 27 kg/ha) und Phosphor (+2,5 kg P/ha) im Vergleich zu der Reinsaat und dem Vierer-Mix.

Das Nährstoffpotential des Bodens ist in Bezug auf die novellierte Düngeverordnung noch wichtiger geworden: Nährstoffe die im Boden vorhanden und müssen effektiver genutzt und für die Pflanzenversorgung  mobilisiert werden. Besonders Böden in den Versorgungsklassen im Bereich D oder E sind auf solche natürlichen Nährstoffquellen, wie sie etwa im Mineralbestand der Boden oder im Dauerhumus gespeichert sind, angewiesen.

Dr. Norman Gentsch führt die verbesserte Nährstofffreisetzung unter anderem auf die erhöhte Wurzelbiomasse der artenreichen Mischung zurück. "Die unterschiedlichen Pflanzenarten können viel effizienter als jede Reinsaat die vorhandenen Nährstoffe aufnehmen. Gebundene Nährstoffe in Wurzelbiomasse, insbesondere in Feinwurzeln, sind schnell umsetzbar, stehen dadurch der Nachfrucht schnell zur Verfügung", erläutert der Wissenschaftler. Außerdem wirke sich die verbesserte Zusammensetzung der oberirdischen Biomasse positiv auf die Nährstofffreisetzung in der Hauptfrucht aus.

Mischungen puffern Stress weg

Catchy-Versuchsfeld mit artenreicher Zwischenfruchtmischung

Eine artenreiche Zwischenfrucht – wie sie im Catchy-Projekt verwendet wurde – eignet sich ideal, um einseitige Maisfruchtfolgen aufzulockern. Quelle: dsv

Diejenigen Pflanzenarten oder Sorten, die an bestimmte Stressbedingungen wie zum Beispiel Trockenheit, bestimmte Krankheitserreger oder Schädlinge angepasst sind, puffern den Ausfall weniger angepasster Pflanzen. Dadurch wird Stabilität in den Erträgen gewährleistet. Je vielfältiger die Artenmischung, umso stressresistenter wird das Anbausystem. Das erhöht die sogenannten Ökosystemdienstleistungen wie die natürliche Filtration und die Kohlenstoffanreicherung, es verbessert die Nährstoffflüsse und stimuliert das Bodenleben.

Ausblick

In der zweiten Projektphase des CATCHY-Projektes werden weitere Fragestellungen zum Stickstoffkreislauf, zur Wasserspeicherleistung, zur genauen Interaktionen mit Mykorrhiza-Pilzen zu den Auswirkungen auf die Pflanzenernährung der Folgefrucht näher beleuchtet.

Hintergrund Forschungsprojekte

Die europäische Landwirtschaft steht aktuell vor der Herausforderung, die zunehmende Bodendegradation durch Verminderung der Biodiversität und Lebendverbauung, Zunahme der Erosion, Nährstoffauswaschungen, Versauerung, Versalzung oder Bodenverdichtungen aufzuhalten. Gleichzeitig soll die landwirtschaftliche Erzeugung nachhaltig intensiviert und an die Klimaveränderungen angepasst werden. Die Bundesregierung hat daher 2012 einen Aufruf an die Wissenschaft zur Intensivierung der Forschung bezüglich nachhaltigeren Bodennutzung gestartet.

Zehn Projekte sind im Dachprojekt "BonaRes" – Boden als nachhaltige Ressource als Langzeitstudien über neun Jahre angelegt. 2015, im "Internationalen Jahr des Bodens", wurde das Projekt CATCHY (Catch-cropping is an agrarian tool for continuing soil health and yield-increase) als BonaRes-Unterprojekt gestartet. Sieben Projektpartner aus der Wissenschaft und aus der Wirtschaft sind daran beteiligt. Das Forscherteam setzt sich aus Pflanzenwissenschaftlern, Mikrobiologen, Bodenkundlern, Agrarwissenschaftlern und Wirtschaftspartnern aus der Pflanzenzüchtung wie z. B. der Deutschen Saatveredelung, DSV, zusammen. CATCHY beschäftigt sich mit der Biodiversität in Zwischenfruchtrotationen und untersucht den Einfluss der Artenvielfalt in Zwischenfruchtmischungen auf die Bodenfunktionen.