Dem Humus auf der Spur

BODENKUNDLICHE ZUSTANDSERHEBUNG IM KONTEXT DES KLIMAWANDELS AM BEISPIEL MANNHEIM-VOGELSTANG


Im Zuge des Klimawandels rückt der Humus als Kohlenstoffspeicher im Boden in den Fokus. In diesem Projekt wurde eine Zustandserhebung des Humusgehalts vorgenommen und im Zusammenhang mit Bodenart und Landnutzung analysiert.

1.1 Themenfindung

Zwischen 1900 und 2005 ist die Jahresdurchschnittstemperatur weltweit um 0,7 °C gestiegen, in Baden-Württemberg um über 1 °C. – nach Berechnungen aktueller Klimaszenarien wird die Durchschnittstemperatur in Baden-Württemberg auch künftig weiter steigen. Gleichzeitig sind zunehmende Niederschläge im Winter sowie längere Trockenperioden im Sommer zu erwarten [9].

Die Landwirtschaft gehört dabei zu den Bereichen, die am stärksten betroffen sind. Insbesondere die zunehmende Sommertrockenheit führt zu Ertragseinbußen, die je nach Kulturpflanzenart, Region und Bodenbeschaffenheit unterschiedlich ausfallen [7]. Dies macht die Entwicklung regional differenzierter Anpassungsstrategien zur Ertragssicherung notwendig. Rückkoppelnd haben allerdings auch landwirtschaftliche Maßnahmen wiederum Folgen für den Klimawandel. So kann die Art der Bewirtschaftung Einfluss auf die Funktion des Bodens als Kohlenstoffsenke oder -quelle nehmen.

Im Zuge der Verpflichtungen gemäß der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen (UNFCCC Art. 3.3, 4.1, 4.2 und Entscheidung 3/CP5) sowie des Kyoto-Protokolls rücken der Humus als Kohlenstoffspeicher im Boden sowie Potenziale zum Humusaufbau zunehmend in den Fokus. Damit wird der Boden in seiner klimarelevanten Funktion als Kohlenstoffsenke zum Forschungsgegenstand.

Der Erhalt standorttypischer Humusgehalte ist als Bestandteil der „guten fachlichen Praxis in der Landwirtschaft“ (§ 17 BBodSchG) bereits gesetzlich verankert, zumal die organische Bodensubstanz Lieferant und Speicher für viele Nähr- und Schadstoffe ist und sowohl die Bodenstruktur als auch die Fruchtbarkeit der Böden verbessert. Welche Humusgehalte hierbei optimal bzw. anzustreben sind, bedarf einer standortdifferenzierten Festlegung, die jedoch laut UBA [6] nach derzeitigem Stand der Forschung nicht möglich ist. Die Ursache hierfür ist, dass eine systematische, quantitative Analyse der komplexen Zusammenhänge unter Berücksichtigung kleinräumiger Differenzen und regional typischer Charakteristika bislang nicht vorliegt.

Damit macht der aktuelle Forschungsstand vor dem Hintergrund der klimarelevanten Funktion des Bodens sowohl regional differenzierte Zustandserhebungen als auch Untersuchungen zur Auswirkung von Anpassungsstrategien notwendig. Die Bodenzustandserhebung Landwirtschaft des Thünen-Instituts für Agrarklimaschutz [4] erfasst daher aktuell erstmals deutschlandweit auf Grundlage eines 8-mal-8-km-Rasters die Vorräte an organischem Kohlenstoff in landwirtschaftlich genutzten Böden. Das Ziel solch einer Zustandserhebung ist es darüber hinaus, die steuernden Faktoren der Humusvorräte landwirtschaftlicher Böden zu ermitteln und die Auswirkungen des Klimawandels auf diese zu prognostizieren, um schließlich die Strategien zur Anpassung der Agrarproduktion und anderer Landnutzungsformen an geänderte Klimabedingungen zu bewerten.

Ziel des vorliegenden Projekts ist die Analyse der Zusammenhänge von Bodenart, Landnutzung und Humusgehalt im landwirtschaftlich genutzten Außenbereich von Mannheim-Vogelstang auf Basis einer regionalen Zustandserhebung. Mit diesen Daten werden kleinsträumige Wechselwirkungen berücksichtigt, welche die Grundlage für das Verständnis der steuernden Faktoren bilden.

Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen schließlich die Darstellung regional typischer Zusammenhänge, mit welchen die Speicherfunktion des Bodens in Bezug auf CO2 in Form von organischem Kohlenstoff beschrieben wird. Damit verknüpft die Arbeit die aktuellen Klimaszenarien mit dem differenziert erhobenen Bodenzustand und bildet so die Grundlage für die Ableitung konkreter Empfehlungen und nachhaltiger Anpassungsstrategien.

1.2 Stichwort Boden und Bodenart

Boden bildet die belebte oberste Erdkruste und ist ein Gemisch aus mineralischen Substanzen, organischen Abbau- und Umwandlungsprodukten sowie lebenden Organismen und Hohlräumen, die mit Bodenlösung oder Luft gefüllt sind. Böden sind offene Systeme und unterliegen ständiger Veränderung durch Bodenbildungsfaktoren. Durch verschiedene Prozesse der Pedogenese, physikalische und chemische Verwitterung, Mineralneubildung, Mineralisierung, Humifizierung, Gefügebildung und Stoffverlagerung, bildet der Boden Horizonte aus [2]. Somit stellt der Boden ein Produkt aus klimabedingter Gesteinsverwitterung, Anreicherung toten organischen Materials, der Bioturbation der Bodenorganismen, der Bodenbearbeitung und der landwirtschaftlichen Nutzung durch den Menschen sowie ständiger Einwirkung des Klimas dar.

Die Bodenart zeichnet sich durch die Korngrößenzusammensetzung des mineralischen Bodenmaterials aus. Hierfür sind die drei Fraktionen Sand, Schluff und Ton maßgebend. Die Bodenart hat einen großen Einfluss auf die Bodeneigenschaften. In diesem Zusammenhang liegt das Augenmerk auf dem Vermögen zur Kohlenstoffspeicherung.

Der natürliche Kohlenstoffkreislauf lässt sich zunächst mit der Aufnahme von CO2 aus der Atmosphäre durch Pflanzen (Fotosynthese) skizzieren. Auf das Absterben der Kohlenstoff-haltigen Pflanzenreste und deren Eintrag in den Boden folgt die Fixierung von organischem Kohlenstoff in Form von Humus.

Dieses Speichervermögen ist wiederum abhängig von der Bodenart unterschiedlich ausgeprägt. Auch hängt hiervon das Ausmaß der Mineralisierung des organischen Kohlenstoffs durch Bodenmikroorganismen zu CO2 und der daraus resultierende Ausstoß des CO2 in die Atmosphäre ab.

1.3 Stichwort Humus

Als Humus bezeichnet man die Gesamtheit der toten organischen Substanz eines Bodens, welche sich durch die Aktivität der Bodenorganismen in einem ständigen Auf-, Ab- und Umbau befindet. Die Zufuhr organischer Substanz kann durch abgestorbene Pflanzenteile und Bodenorganismen erfolgen. Auf landwirtschaftlich genutzten Flächen wird die Menge dabei insbesondere auch durch Ernterückstände (Wurzeln, Stroh) und die Ausbringung organischer Dünger (Gülle, Kompost) bestimmt.

Beim mikrobiellen Abbau des Humus durch Bodenorganismen werden die darin gebundenen Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphat oder Schwefel für die Pflanzen zur Verfügung gestellt und zugleich durch deren Metabolismus CO2 freigesetzt. Auch können über sogenannte Ton-Humus-Komplexe weitere Nährstoffe wie Kalium oder Magnesium kationenaustauschbar an den Humusteilchen gebunden werden. Die Bodenfruchtbarkeit wird somit maßgeblich durch den Humusgehalt bestimmt, der wichtige Funktionen für diverse Bodeneigenschaften wie die Durchwurzelbarkeit, die Nährstoffdynamik und den Wasserhaushalt des Bodens erfüllt. Gleichzeitig kann ein Humusabbau durch äußere Umwelteinflüsse wie die Landnutzung oder das Klima begünstigt werden. Da der Humus ein wichtiges Zwischenprodukt im Kohlenstoffkreislauf darstellt und damit seine besondere Bedeutung im Kontext des Klimawandels einhergeht, ist ein derartig übermäßiger Abbau frühzeitig zu verhindern ohne jedoch die Nährstofflieferung für Pflanzen zu beeinträchtigen.

1.4 Klimawandel und Boden

Zwischen Boden und Klima herrschen komplexe Wechselwirkungen, sodass der Boden unmittelbar von Klimaänderungen betroffen ist und anthropogene Eingriffe sowie klimabedingte Veränderungen des Bodens rückkoppelnd Auswirkungen auf das Klima haben.

Eine zentrale Rolle nimmt der Boden mit ca. 1,5 ∙ 106 Mio. Tonnen Kohlenstoff als größter terrestrischer Kohlenstoffspeicher ein [5]. Neben der Lieferung des Bodenkohlenstoffs durch die lebende Biomasse, besteht die organische Substanz, in der Gesamtheit der sogenannte Humus, im Boden etwa zur Hälfte aus Kohlenstoff. Somit kann der Boden durch Humusaufbau und eine positive Humusbilanz zum Kohlenstoff- Speicher werden und spielt deshalb eine zentrale Rolle beim Klimaschutz. Der Humus befindet sich in einem ständigen Ab- und Umbau durch Bodenmikroorganismen, wobei der Kohlenstoff so wieder in Form von Kohlendioxid in der Atmosphäre frei wird. Entscheidend für die Aktivität der Mikroorganismen sind Temperatur und Bodenfeuchte sowie Menge und Qualität der Nährstoffe.

Durch Klimawandel bedingte hohe Temperaturen nimmt auch die mikrobielle Aktivität zu, womit ein Humusabbau und eine CO2-Freisetzung einhergehen. Auch längere Trockenperioden im Sommer bewirken den oxidativen Abbau des Humus, während Stauwasserphasen im Winter im wassergesättigten Zustand eine konservierende Wirkung zur Folge haben [8].

Landnutzung und die Bodenbewirtschaftung haben ebenfalls einen deutlichen Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte im Boden. Folglich kommt es zu einem Humusabbau, wenn durch Ernte, Mahd oder Holzschlag mehr Biomasse abgeführt wird, als dem Boden wieder zugeführt wird.

Die Klimawirkung auf den Boden auch mit Hinblick auf Bodenerosion und Wasserhaushalt sind unbestritten, doch sind sichere Voraussagen bezüglich der Humusdynamik schwer zu machen, da die unterschiedlichsten Wechselbeziehungen komplex sind [6]. Darum sind regional differenzierte Beobachtungen essentiell, um geeignete Anpassungsstrategien zu entwickeln.

2.1.1 Flächeninformation und Probenpunkte

Um Zusammenhänge zwischen der Bodenart, dem Humusgehalt und der Landnutzung bzw. der Bewirtschaftungsweise zu analysieren, wurde Kontakt zu Landwirten aufgenommen, die bereit waren, jegliche nötige Informationen zu liefern. Dazu zählten Fruchtfolgen sowie besondere Bewirtschaftungsmethoden wie Düngung, Begrünung und Umbruch. Auf Grundlage der Repräsentativität und Vergleichbarkeit der Flächen wurden zunächst verschiedene Felder am Vogelstang-See ausgewählt.

Hierbei war ein wichtiges Kriterium ein vorhandener Vergleichsparameter, sodass sich beispielsweise ein Wald am See und eine Wiese am See ausschließlich hinsichtlich der Landnutzung unterscheiden, sodass diese den Vergleichsfaktor darstellt.

Mit 14 Feldern am See wurde ein intensiv landwirtschaftlich genutztes Gebiet erfasst, während am sogenannten Viehwäldchen, einem Naturschutzgebiet, vorwiegend Brachen und Dauerkulturen vorzufinden sind. Somit stellte dieses Gebiet sechs weitere interessante Flächen zur Humusermittlung dar.

Während einer Erkundung auf den Flächen wurden standortspezifische Gegebenheiten wie unterschiedliche Höhenlagen auf demselben Feld berücksichtigt und je zwei bis drei repräsentative Probenpunkte festgelegt (siehe Abb. 1 und Tab. 1).

2.1.2 Probennahme-Strategie

Zur repräsentativen Stichprobenauswahl wurde eine standardisierte Probennahme- Strategie definiert. Alle Proben wurden im August am selben Tag innerhalb von zwei Stunden bei gleicher Wetterlage genommen. Hierbei wurde der A-Horizont (bis zu 15 cm Tiefe) als zu untersuchende Schicht definiert und mit einer Schaufel entnommen. Die Probe wurde in einem luftdichten Behälter transportiert. Um einen Mittelwert über einen eventuell vorhandenen Gradienten in der Probe zu erhalten, wurden Mischproben genommen, die Bodenprobe also geschüttelt, und aufliegende organische Streu ausgelesen. Um kleinräumige Unterschiede zu mitteln, wurden ebenfalls mehrere Proben pro Feld erhoben.

2.1.3 Auswahl der Proben nach Fingerprobe, Carbonatgehalt und Farbansprache

Um unter den vielen Proben eine kleinere differenzierte Auswahl für die weiteren Analyseschritte zu treffen, wurde jeweils die Bodenart per Fingerprobe ermittelt. Auch wurde der Carbonatgehalt mit der Salzsäurereaktion abgeschätzt sowie der Humusgehalt mithilfe der Munsell-Farbskala [1]. Nach dieser Auswertung konnten aus den mehreren Proben pro Feld einige wenige repräsentative ausgewählt werden, die im Folgenden untersucht wurden.

Die Korngrößenanalyse erfolgte nach DIN ISO 11277:2002-08 (Bodenbeschaffenheit – Bestimmung der Partikelgrößenverteilung in Mineralböden – Verfahren mittels Siebung und Sedimentation) sowie ergänzend DIN 1968-2:1973-04 (Bestimmung der Korngrößenzusammensetzung nach Vorbehandlung mit Natriumpyrophosphat)

2.2.1 Korngrößenklasseneinteilung

In Tab. 2 sind die für die Korngrößenanalyse relevanten Kornfraktionen nach bodenkundlicher Kartieranleitung [1] dargestellt.

2.2.2 Probenvorbehandlung

Die Proben wurden luftgetrocknet, vorsichtig gemörsert, um verbackene Strukturen zu lösen und darauf grobes organisches Material herausgelesen. Da bereits bei der Fingerprobe ein hoher Sandanteil festgestellt wurde, wurden nach DIN ISO 11277 je 30 g homogene Mischprobe abgewogen.

Da der Anteil an organischer Substanz im A-Horizont hoch ist (> 2 %), wurde diese vor der Analyse zerstört. Zunächst wurde die Probe mit 30 ml destilliertem Wasser durchfeuchtet und das organische Material schließlich mit 30 ml 30-prozentiger Wasserstoffperoxid-Lösung (H2O2) zerstört (siehe Abb. 2). Das Probengefäß wurde mit einem Glasstab mehrmals durchmischt und die Schaumbildung mit Ethanol reguliert. Das Gefäß wurde über Nacht mit einer Petrischale abgedeckt stehen gelassen und am folgenden Tag bei 40 °C auf ein Wasserbad gestellt. Nach Abklingen der Blasenbildung infolge der Zersetzung des Wasserstoffperoxids wurde die verbliebene grobe Organik mit einer Pinzette entfernt.

Die hohe Leitfähigkeit in den Proben wies auf einen entsprechend hohen Salzgehalt hin. Deshalb wurden die Proben zur Vorbereitung des Pipettverfahrens vorher gewaschen. Dazu wurden je Probe 25 ml einer Calciumchlorid- Lösung hinzugegeben, welches als Flockungsmittel die Sedimentation der Tonminerale bewirkte. Das Gefäß wurLide darauf mit destilliertem Wasser auf 250 ml aufgefüllt. Da keine Zentrifuge zur Verfügung stand, wurde die Probe vier Stunden lang stehen gelassen, bis sich alle Bodenpartikel abgesetzt hatten und anschließend der klare Überstand abpipettiert bzw. dekantiert. Das Dekantieren und Waschen mit destilliertem Wasser wurde so lange wiederholt (drei- bis viermal), bis sich eine Leitfähigkeit von etwa 0,4 mS/cm eingestellt hatte.

Für die Dispergierung von Bodenaggregaten wurde die Proben-Lösung vollständig in eine Flasche überführt, 25 ml Dispergiermittel (33g NaPO3 + 7 g NaCO3 in 1 l H2O) hinzugegeben und die Flasche auf 500 ml mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Die Proben wurden schließlich sechs Stunden lang im Überkopfschüttler geschüttelt.

2.2.3 Siebanalyse

Zur getrennten Erfassung der grobkörnigen Bodenbestandteile wurde die Suspension aus der Flasche möglichst rückstandsfrei durch ein Sieb mit 2-mm- (Kies) und eines mit 0,2-mm-Maschenweite (Grob-/Mittelsand) gespült und diese Rückstände jeweils in Weithalskolben überführt. Die Siebrückstände wurden bei 105 °C getrocknet. Die Fraktion > 2 mm wurde schließlich gravimetrisch bestimmt. Bei der Fraktion > 0,2 mm wurden nach dem Trocknen geringe Mengen an feineren Rückständen festgestellt, welche den Massenanteil verfälschen würden. Deshalb wurde die Fraktion noch einmal vorsichtig gemörsert, um die homogenisierte Probe erneut auf der Siebmaschine trocken durch eine 0,063-mm-Maschenweite zu sieben. Daraufhin wurde die Fraktion in gewogenen Porzellantiegeln zwei Stunden lang bei 550 °C in einem Muffelofen geglüht, um jegliche übrig gebliebene Organik zu entfernen. Nachdem die Tiegel auf Raumtemperatur abgekühlt waren, wurden diese abgewogen und das Gewicht der Fraktion durch Differenz des Leergewichts ermittelt.

2.2.4 Sedimentationsanalyse – Pipettmethode nach Köhn 1928

Das Prinzip basiert im Wesentlichen auf einer Auftrennung der feineren Korngrößenfraktionen (< 0,063 mm) durch Sedimentation im Schwerefeld der Erde. Nach dem Stoke’schen Gesetz wird die Sinkgeschwindigkeit v von kugelförmigen Partikeln in Abhängigkeit ihres Durchmessers d beschrieben: v=d2·(ρpF)·g/18 η

ρp: Partikeldichte in g cm–3
g: Erdbeschleunigung in cm s–2
ρF: Dichte des Fluids in g cm–3
η: Viskosität des Fluids in g cm–1 s–1

Somit werden zu unterschiedlichen Entnahmezeiten in einer bestimmten Entnahmetiefe jeweils nur bestimmte Partikeldurchmesser erfasst.

Nachdem die Probensuspension zunächst wie zuvor beschrieben gesiebt wurde, wurde sie in einen Sedimentationszylinder überführt und bis zur 1-Liter-Marke mit destilliertem Wasser aufgefüllt. In einen weiteren Zylinder wurde 25 ml Dispergiermittel gegeben und auch dieser auf 1 l aufgefüllt. Nachdem die Temperatur der Suspensionen zur Bestimmung der Probennahmezeiten gemessen wurde, wurde der Zylinder mit einem Gummistopfen verschlossen und die Suspension durch zehnfaches Umkippen homogenisiert. Daraufhin wurde die Stoppuhr beim Absetzen des Zylinders gestartet.

Bei den Messreihen wurde eine Temperatur von 26 °C gemessen, wodurch sich für die Fraktion < 0,063 mm (Schluff und Ton) eine Probennahme in 20 cm nach 48 s ergibt, sowie für die Fraktion < 0,002 mm (Ton) in 5 cm nach 3 h 22 min 21 s. Es wurde jeweils ein Aliquot mit dem Pipettapparat (siehe Abb. 3) nach vorgegebener Anleitung entnommen und in ein Wägegläschen (Becherglas getrocknet und gewogen) überführt.

Im Anschluss daran wurde die im Zylinder verbliebene 0,063-mm-Fraktion (Feinsand) analog des in Punkt 2.2.3 beschriebenen Verfahrens bestimmt.

Auch die feinen Fraktionen wurden bei 105 °C in den Trockenschrank gestellt, Masseanschließend im Exsikkator über einem Trockenmittel abgekühlt und schließlich ausgewogen. Durch Differenz beider Probenmengen erhielt man die einzelnen Korngrößenmengen.

Im Zylinder mit verdünntem Dispergiermittel wurden ebenfalls zwei Blindproben genommen und das arithmetische Mittel ihrer Trockenmasse ermittelt. Da dieses in der Suspension gelöst vorliegt und nach Eintrocknung mit der Fraktion ausgewogen wird, wurden die Massenteile um den ermittelten Mittelwert korrigiert und anschließend auf 1 l bezogen. [Volumen der Köhn-Pipette: 21,2225 ml, Multiplikation der ausgewogenen Mengen mit dem Faktor 1000/21,2225 auf 1 l]

Der Glühverlust wurde nach DIN 18128:2002-12 (Baugrund – Untersuchung von Bodenproben – Bestimmung des Glühverlustes) bestimmt und entspricht der Vorgehensweise nach DIN 19684-3 (Bodenuntersuchungsverfahren im landwirtschaftlichen Wasserbau – Chemische Laboruntersuchungen – Teil 3: Bestimmung des Glühverlustes und des Glührückstands).

2.3.1 Prinzip der Methode

Durch Glühen der unbehandelten Bodenprobe bei 550 °C wird die organische Substanz zerstört. Die Gewichtsdifferenz des Glührückstandes zum Ausgangsmaterial stellt den Glühverlust dar und somit den Anteil der organischen Substanz in der Probe.

Da es hierbei schwerpunktmäßig auf die relativen Unterschiede der Glühverluste ankommt, können die bei allen Proben zu erwartenden geringen Verfälschungen durch teilweise ausgetriebenes Kristallwasser und die Oxidation von Eisenoxiden gleichermaßen vernachlässigt werden.

2.3.2 Durchführung

Zunächst wurden je 25 g Bodenprobe eingewogen und in einem hitzebeständigen Glas bei 105 °C über Nacht getrocknet. Daraufhin wurden sie fein gemörsert und kleinstes organisches Material ausgelesen. Von dieser feinen Probe wurden nun ca. 10 g erneut in den Trockenschrank gestellt und in der Zwischenzeit die Porzellantiegel vorbereitet. Diese wurden gespült, mit Ethanol gereinigt und bei 105 °C getrocknet, um eine Gewichtskonstanz zu erreichen. Danach wurden sie im Exsikkator über einem Trockenmittel auf Raumtemperatur etwa eine Stunde abkühlen gelassen und schließlich auf einer Analysewaage auf 0,0001 g genau ausgewogen. Nach dem Auswiegen wurden die Tiegel möglichst schnell mit genau 10 g zuvor im Exsikkator gekühlter Bodenprobe gefüllt. Die Tiegel wurden – bereits von der Reinigung an – nur mit einer Tiegelzange für die weiteren Schritte transportiert, um Gewichtsverfälschungen durch Fingerkontamination möglichst zu vermeiden.

Schließlich wurden die Tiegel im kalten Muffelofen positioniert und dessen Temperatur darauf stufenweise auf 550 °C gesteigert und nach deren Erreichen zwei Stunden lang geglüht. Danach wurde der Muffelofen abgeschaltet und die Tiegel wurden bei geöffneter Tür auf etwa 100 °C abkühlen gelassen, was mit einem Infrarotthermometer verfolgt wurde. Anschließend wurden die Tiegel bis zum Erreichen der Raumtemperatur in einen Exsikkator gestellt. Sobald diese erreicht war, wurden die Tiegel erneut auf 0,0001 g ausgewogen und der Glühverlust ermittelt. Der Glühverlust beschreibt den MasseKristallanteil, der beim Glühen der Trockenmasse als Gas entweicht und wird wie folgt berechnet: siehe Formeln am Seitenende.

Glühverlust (in %) = (Trockengewicht des Tiegels mit Probe – Glühgewicht des Tiegels mit Probe) ∙ 100
                                               (Trockengewicht des Tiegels mit Probe – Leergewicht des Tiegels)

Glühverlust (in %) = (Trockengewicht des Tiegels mit Probe – Glühgewicht des Tiegels mit Probe) ∙ 100
                                                                                     10 g

Mit den prozentualen Anteilen der Kornfraktionen, welche durch die Siebanalyse und die Sedimentationsanalyse ermittelt wurden (siehe Tab. 3), kann im sogenannten Feinbodenartendreieck (siehe Abb. 4) die Feinbodenart ermittelt werden (siehe Tab. 4).

Zum Großteil handelt es sich bei den untersuchten Feldern am Vogelstang-See um sandig-tonige Lehme, während punktuell der sandige bzw. tonige Anteil variiert (siehe Abb. 4: rosa). Am Viehwäldchen sind überwiegend Sande vorzufinden, wobei teilweise auch ein hoher Lehmanteil vorhanden ist (siehe Abb. 4: blau).

Für die Proben am Vogelstang-See ergibt sich eine Abnahme der Humusgehalte (siehe Tab. 5) in der Reihenfolge Wald (ca. 10–12 %), Wiese (8–10 %) und Acker (1–5 ). Für die sandigen Proben am Viehwäldchen sind diese Größenverhältnisse in der Form nicht erkennbar, worauf im Folgenden näher eingegangen wird.

Die Zustandserhebung hat gezeigt, dass der Landwirt seine Felder in seiner fachlichen Praxis bereits entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten bei Bodenart und Humusgehalt bewirtschaftet.

So werden Früchte, die bezüglich der Nährstoffversorgung und des Wasserhaushalts wenige Ansprüche an den Boden haben, wie beispielsweise Spargel, bevorzugt auf sandigem Boden angebaut (vgl. Proben 19.1, 19.2). Mais ist humuszehrend, beansprucht durch den Anbau also eine große Menge Humus im Boden bzw. begünstigt den Humusabbau. Um eine ausgeglichene Humusbilanz, also ein Gleichgewicht zwischen Humusauf- und abbau aufrechtzuerhalten, muss der Humusverlust deshalb durch eine Fruchtfolge mit humusmehrenden Früchten wie Winterweizen ausgeglichen werden. Das zurückbleibende Stroh kann Humus anreichern und damit die Fruchtbarkeit des Bodens langfristig aufrechterhalten, auch wenn der Verkauf des Strohs kurzfristig für die Landwirte attraktiv scheint.

Dabei weisen die sandigen Böden der Felder am Viehwäldchen teilweise trotz humusfördernder Dauerkulturen wie z. B. Gerste, einen spärlichen Humusanteil von 1 % auf (vgl. Probe 17), während sich der Boden mit der Bodenart (schwach-, sandig-) toniger Lehm am Vogelstang-See bis zu 14 % aus Humus zusammensetzt (vgl. Probe 10.1, 10.2). Dies ist auf die Kapazität zur Bildung von organisch-mineralischen Bindungen, den so genannten Ton-Humus- Komplexen zurückzuführen, die aufgrund der spezifischen Oberflächen der Tonminerale zustande kommen. Quarzkörner dagegen besitzen diese Oberflächen nicht, womit die Speicherfunktion über Komplexbindungen fehlt.

Bezüglich der Humusanteile lässt sich außerdem erkennen, dass sie umso höher sind, je mehr Biomasse über einen langen Zeitraum in Humus umgewandelt werden kann und je weniger zuvor abgetragen wird. So ist in einem Waldboden (vgl. Probe 10.1, 10.2) vergleichsweise zu einer Wiese bei gleicher Entwicklungsdauer (vgl. Probe 9.1, 9.2) mehr Humus vorhanden, da der Eintrag an Biomasse in den Boden höher ist. Eine Wiese (vgl. Proben 9, 10) zeigt allgemein einen höheren Humusanteil als ein Acker (vgl. Proben 1-8), doch sind auf dem Acker auch mehrere Faktoren differenzierbar. Wird ein Acker im Zwischenfruchtanbau begrünt und brachgelegt, ist sein Humusanteil höher. So wurden auf einigen Äckern Klee und Senf gemeinsam gesät und sobald der Senf geblüht und gebrochen ist, dieser nach einigen Monaten gemulcht. Diese Begrünung dient dem Erosionsschutz und zum Humusaufbau (vgl. Probe 1), während der Klee keimt, blüht und wieder gemäht wird. Dabei werden dem Boden reichlich Nährstoffe zugeführt, ebenso, wenn Dauerkulturen an humusmehrenden Früchten angebaut werden, Gerste beispielsweise (vgl. Probe 17) oder der Boden gedüngt wird. Auch zeigte sich ein Unterschied zwischen dem Anbau von Körnermais (vgl. Probe 3), dessen Ernterückstände lediglich in den Boden gegrubbert werden und Silomais (vgl. Probe 5), welcher mitsamt den Stängeln geerntet und entnommen wird. Letzterer Boden zeigt auf Dauer einen geringeren Humusgehalt, vorausgesetzt dieser wird nicht nachträglich gedüngt.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Bodenart eng mit dem Humusgehalt zusammenhängt. Zugleich wird dieser jedoch maßgeblich durch anthropogenen Einfluss über Bewirtschaftungsmethoden und Fruchtanbau verändert.

Der Zusammenhang zwischen dem Humusgehalt und der Bodenart sowie der Landnutzung gegliedert in Wald, Wiese und Acker wird in Abb. 5 dargestellt. Zum Zeitraum der Probennahme brachliegende Felder wurden aufgrund des minimal relevanten Zeitraums der Rubrik Acker zugeschlagen.

Es ist zu erkennen, dass der Humusanteil umso höher ist, je feinkörniger der Boden, entsprechend höher der Ton-Anteil. Diese Schlussfolgerung lässt sich unabhängig von der Landnutzung ziehen und ist insbesondere auf die besagten Ton-Humus-Komplexe zurückzuführen, deren Vermögen bedingt ist durch die Quantität der vorhandenen Tonminerale.

Ebenso ist der Humusanteil umso höher, je weniger Biomasse im Rahmen der Landnutzung abgetragen wird bzw. je mehr zugeführt wird.

Über die regionale Zustandserhebung wurden zunächst die Zusammenhänge zwischen dem Humusgehalt, der Bodenart und der Landnutzung analysiert. Hierbei zeichnete sich die besondere Bedeutung des Ton-Anteils ab, der das Kohlenstoffspeichervermögen über die Bildung von Ton-Humus-Komplexen maßgeblich bestimmt.

Auf Grundlage der Erkenntnisse aus der Zustandserhebung bezüglich des engen Zusammenhanges zwischen dem Humusgehalt und der Korngrößenzusammensetzung, kann nun die Speicherfunktion des Bodens in Bezug auf CO2 individuell für jede Korngröße bewertet werden. Dazu werden die Ergebnisse im Folgenden basierend auf zusätzlichen Recherchen und aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen [3] interpretiert und modellhaft formuliert.

Die niedrigen Humusgehalte im Sand resultieren vor allem aus der Trockenheit des Bodens aufgrund der geringen Feldkapazität. Damit geht eine geringe biologische Aktivität einher, wodurch die anfallende Streu wenig zersetzt wird. Außerdem werden die Abbauprodukte zusammenhängend mit dem Mangel an Wasser als Transportmedium gering in den Boden eingearbeitet. Der Kohlenstoff bleibt demzufolge zum Großteil in Form von Streu an der Oberfläche liegen und ist somit der Erosion durch Wind und Wasser ausgesetzt. Infolge der Bewässerung als regionale Anpassungsstrategie an die zunehmende Sommertrockenheit und die hohen Temperaturen wird der Kohlenstoffumsatz im Boden nun verstärkt. Damit werden die langkettigen Kohlenstoffverbindungen zu kurzkettigen Verbindungen umgesetzt und mit ausreichender Wasserversorgung sind sie leichter in den Boden einzuarbeiten. So reichert sich Humus im Sand an und der Boden stellt im Kontext des Klimawandels eine CO2-Senke dar.

Von der biologischen Aktivität im tonigen Boden ausgehend, ist diese ebenfalls gering, da der Boden eine sehr hohe Feldkapazität besitzt und dadurch teilweise staunass wird. Allerdings liegt der entscheidende Punkt darin, dass die Humusteilchen über die sogenannten Ton-Humus-Komplexe langfristig sehr stabil gespeichert werden. Es ist zu vermuten, dass dieses Vermögen zur Kohlenstoffspeicherung durch die spezifischen Oberflächen der Tonminerale bei Weitem nicht ausgeschöpft ist, wodurch ein verstärkter Kohlenstoffumsatz einhergehend mit der Bewässerung, eine zusätzliche Humusakkumulation zur Folge hätte. Damit stellt auch der Ton eine CO2-Senke dar.

Zwischen Sand und Ton bildet Schluff die mittlere Korngröße und weist damit auch ein relativ günstiges Wasserhaltevermögen auf und zugleich optimale Verhältnisse für eine hohe biologische Aktivität. Der Humusumsatz ist hoch und befindet sich im Idealfall in einem Gleichgewicht. Verstärkt sich nun allerdings der Kohlenstoffumsatz im Boden, fehlt durch den Mangel an TonmineraZusammenlen das Vermögen zur Kohlenstoffspeicherung, womit der Kohlenstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und emittiert wird. Demzufolge verliert der Boden seine Funktion als CO2-Senke und wird infolge der Bewässerung als Anpassungsstrategie zur CO2-Quelle.

Nach diesen Schlussfolgerungen müssen ganz grundsätzliche Umstellungen in der Landwirtschaft angedacht werden, um eine mindestens ausgeglichene Humusbilanz zu gewährleisten. Da die künstliche Bewässerung bei Beibehaltung der bisherigen Anbaufrüchte zwar die Erträge steigert, unter den Vorzeichen höherer Temperaturen jedoch bei Schluff dazu führen kann, den Klimawandel durch verstärkte CO2-Emission weiter anzukurbeln, wären trockenresistentere Arten oder Züchtungen eine Anpassungsmöglichkeit. Auch für Sand und Ton, die bei ausreichender Wasserzufuhr und den klimabedingt hohen Temperaturen zwar CO2-Senken darstellen, ist langfristig zu bedenken, dass dies bei einer zu erwartenden größeren Häufigkeit von Dürrephasen im Hinblick auf verfügbare Wasserressourcen problematisch wird. Naheliegende Möglichkeiten wären insofern eine angepasste Bearbeitung sandiger Böden zur Erleichterung der Humusakkumulation, ebenso durch zwischenzeitliche Begrünung. Letztere wäre für den Landwirt allerdings nur unter dem ökonomischen Aspekt nachhaltiger Entwicklung leistbar.

Aktuelle wissenschaftliche Publikationen [3] betonen die essenzielle Bedeutung der Böden für die Kohlenstoffspeicherung (und andersherum), da sowohl die atmosphärische CO2-Konzentration reduziert als auch zugleich die Bodenfruchtbarkeit erhöht werden könnte. Obgleich noch viele Unsicherheiten und Unschärfen im Verständnis des Kohlenstoffkreislaufes und der vielfältigen Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen Klimawandel und Humusdynamik bestehen und eine Quantifizierung der Kohlenstoffsenke „Boden“ bislang nicht möglich ist, sollte doch zumindest sichergestellt werden, dass Böden nicht durch unpassendes Bodenmanagement, dazu zählt ebenso die Anwendung von Anpassungsstrategien, zu einer Kohlenstoffquelle werden.

Mit dieser Arbeit wird daran anknüpfend ersichtlich, dass die Nachhaltigkeit jeder Anpassungsstrategie vor dem Hintergrund der dargestellten Zusammenhänge eine differenzierte Betrachtung nötig macht, um keine negativen Rückkopplungen durch erhöhte CO2-Emission auszulösen. Dazu wären weiterführende Kontrollexperimente im Hinblick auf die aus den Anpassungsstrategien resultierenden Änderungen der Humusbilanz und Messreihen explizit zu Korngrößengemischen empfehlenswert.

An dieser Stelle möchte ich mich herzlich bei meinem Betreuer Dipl.-Geoökol. Daniel Volz und seiner Kollegin Dipl.-Geogr. Svenja Brockmüller für ihre unermüdliche Unterstützung bei der Umsetzung dieses Projektes bedanken. In diesem Zusammenhang gilt mein Dank der Abteilung Geographie der Pädagogischen Hochschule Heidelberg, die mir das Labor für mehrere Wochen zur Verfügung stellte. Auch bedanke ich mich recht herzlich bei Prof. Dr. Hermann Jungkunst dafür, dass er sich Zeit für ein intensives Gespräch genommen und mir bei der Interpretation der Ergebnisse geholfen hat.

Ein besonderer Dank gilt den Lehrern Heike Magg und Patricia Wiegand, die mich jahrelang mit großem Engagement in der „Jugend-Forscht-AG“ beftreut haben sowie Hannelore Scheid, die mich für die Abiturprüfung mit schulrelevanter Literatur eingedeckt hat. Meinen Eltern und meinem Bruder danke ich ganz besonders für die tatkräftige Unterstützung bei der Probennahme.

  • [1] AG Boden – Ad-hoc-AG Boden der Staatlichen Geologischen Dienste und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (Hrsg.) (2005): Bodenkundliche Kartieranleitung. 5. verbesserte und erweiterte Auflage. E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung. Stuttgart, Hannover.
  • [2] Brunotte, E. (Hrsg.) (2001): Lexikon der Geographie. Spektrum, Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin.
  • [3] Heitkamp, F., Jacobs, A., Jungkunst, H.F., Heinze, S., Wendland, M., Kuzyakov, Y. (2012): Processes of Soil Carbon Dynamics and Ecosystem Carbon Cycling in a Changing World. In: Lal, R., Lorenz, K., Hüttl, R.F., Schneider, B.U., Von Braun, J. (Hrsg.): Recarbonization of the Biosphere, Ecosystems and the Global Carbon Cycle. Springer Netherlands. Dordrecht.
  • [4] Thünen-Institut für Agrarklimaschutz (Hrsg.) (2015): Bodenzustandserhebung Landwirtschaft (BZE LW), Böden und Klimaschutz – Potenziale erkennen und nutzen. Online verfügbar unter: www.thuenen.de/media/institute/ak/Projekte/bze-lw/Flyer_BZELW_2014.pdf [Stand: 03/2016]
  • [5] UBA – Umweltbundesamt (Hrsg.) (2008): Ermittlung von Optimalgehalten an organischer Substanz landwirtschaftlich genutzter Böden. Online verfügbar unter: www.umweltbundesamt.de/publikationen/ermittlung-von-optimalgehalten-an-organischer [Stand: 03/2016]
  • [6] UBA – Umweltbundesamt (Hrsg.) (2015): Monitoringbericht zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel, Bericht der Interministeriellen Arbeitsgruppe der Bundesregierung. Online verfügbar unter: www.umweltbundesamt.de/publikationen/monitoringbericht-2015 [Stand: 03/2016]
  • [7] UM BW – Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg (Hrsg.) (2015): Strategie zur Anpassung an den Klimawandel in Baden-Württemberg, Vulnerabilitäten und Anpassungsmaßnahmen in relevanten Handlungsfeldern. Online verfügbar unter: um.baden-wuerttemberg.de/de/klima/klimawandel/anpassungsstrategie-baden-wuerttemberg/ [Stand: 03/2016]
  • [8] UM/LLUR SH – Ministerium für Engergiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Schleswig Holstein: Auswirkungen des Klimawandels auf die Böden Schleswig-Holsteins. Online verfügbar unter: www.schleswig-holstein.de/DE/Themen/B/boden.html [Stand: 03/2016]
  • [9] UM/LUBW – Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (Hrsg.) (2015): Klimawandel in Baden-Württemberg_ Fakten-Folgen-Perspektiven. Online verfügbar unter: www4.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/67972/ [Stand: 03/2016]
  • [10] Barsch, H., Billwitz, K., Bork, H.-R. (Hrsg.) (2000): Arbeitsmethoden in Physiogeographie und Geoökologie. Klett-Perthes. Gotha, Stuttgart.
  • [11] Bauer, J., Englert, W., Meier, U., Morgeneyer, F., Waldeck, W. (Hrsg.) (2001): Physische Geographie – Materialien für den Sekundarbereich II. Schroedel. Hannover.
  • [12] Blume, H.-P., Stahr, K., Leinweber, P. (Hrsg.) (2011): Bodenkundliches Praktikum. 3. neubearbeitete Auflage. Spektrum, Akademischer Verlag. Heidelberg.
  • [13] Bundesamt für Naturschutz (Hrsg.) (2009): Where have all the flowers gone? Grünland im Umbruch. Bonn. (Positionspapier)
  • [14] Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft: Humusgehalte ackerbaulich genutzter Sandböden im Klimawandel – Experimente und Modellierung. Jahrestagung der DBG, 3.–9. September 2011, Berlin.
  • [15] Eitel, B., Faust, D. (Hrsg.) (2013): Bodengeographie – Das geographische Seminar. Westermann. Braunschweig.
  • [16] Hülsbergen, J. (Hrsg.) (2012): Humusaufbau als Chance im Klimawandel. 6. Niedersächsisches Fachforum Ökolandbau, Altwarmbüchen.
  • [17] IDW-Informationsdienst Wissenschaft: Boden nutzen und Klima schützen: Zalf verbindet Wissen über Bodenfunktionen und Nutzungssysteme. ENDE, H.-P. Leibniz-Zentrum für Agrarlandforschung (ZALF) e.V. 04.12.2015.
  • [18] Karl, S., Kandeler, E., Herrmann, L., Streck, T. (Hrsg.) (2012): Bodenkunde und Standortlehre – Grundwissen Bachelor. Ulmer. Stuttgart.
  • [19] Kreus, A., Korby, W., Rendel, A. et al (Hrsg.) (2010): Terra – Geographie Kursstufe Gymnasium Baden-Württemberg. Ernst Klett Verlag. Stuttgart, Leipzig.
  • [20] LTZ – Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg (Hrsg.) (2010): Bestimmung der Bodenart des Feinbodens mit der Fingerprobe.
  • [21] Nätscher, L. (Hrsg.) (2009): Die Bestimmung der Bodenart mittels Fingerprobe. Bioanalytik Weihenstephan, TU München.
  • [22] Rheinland-Pfalz Kompetenzzentrum für Klimawandelfolgen bei der Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft (Hrsg.) (2015): Klimawandel in Rheinland-Pfalz_Themenheft Boden.
  • [23] UM NRW – Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (Hrsg.) (2011): Klimawandel und Boden_Auswirkungen der globalen Erwärmung auf den Boden als Pflanzenstandort.
  • [24] VDLUFA – Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten (Hrsg.) (2010): Schlussbericht zum F&E-Vorhaben „Humusbilanzierung landwirtschaftlicher Böden-Einflussfaktoren und deren Auswirkungen“.
  • [25] Titelbild und Fotos der Feldversuche [11.2]: Helin Dogan
  • [26] Fotos der Laboranalysen: Dipl.-Geoökol. Daniel Volz (Pädagogische Hochschule Heidelberg, Abt. Geographie)