In Zusammenarbeit mit: Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V.
10.02.2021

Ein Gemälde von unten und oben  

Agrarlandschaften Boden Bodenfruchtbarkeit Landwirtschaft
© Marc Wehrhan | ZALF

Text: HEIKE KAMPE

Sie sind Wasserfilter, Nährstoffspeicher, Lebensraum und sogar Klimaschützer: Böden erfüllen viele Funktionen, ohne die der Mensch nicht existieren könnte. Um so viele Informationen wie möglich über diese Multitalente zu erhalten, werten Brandenburger Wissenschaftler Drohnen- und Satellitenaufnahmen aus und blicken mit spezieller Bodensensorik tief in die Welt unter unseren Füßen. Ihre Erkenntnisse ziehen sie hierbei oft aus einer erstaunlichen Vielfalt an Farben, die die Aufnahmen und Proben offenbaren.

Hörbeitrag

Für diejenigen, die lieber hören, statt lesen.

Sie könnten der Mischpalette eines Malers entspringen: ein helles Ocker, ein zartes Grau, ein dunkles Braun, das fast in Schwarz übergeht. Das Luftbild eines in der brandenburgischen Uckermark aufgenommenen Ackers zeigt ein reiches Spektrum an verschiedenen Farbtönen der Erde. Prof. Dr. Michael Sommer und Dr. Martin Leue können allein aus diesen Farben bereits eine wichtige Bodeneigenschaft erkennen. »Je dunkler der Boden, desto mehr Kohlenstoff haben die darin enthaltenen Eisenoxide und Tonminerale gebunden«, erklärt der Bodenkundler Sommer.

Für dieses Farbspektrum interessieren sich Sommer und Leue seit vielen Jahren. Der Kohlenstoff stammt aus abgestorbenen Pflanzen und ihren Wurzeln, die von Mikroorganismen und anderen Bodenlebewesen aufgenommen, verdaut und umgebaut werden. Nur ein kleiner Teil davon bindet sich schließlich fest an die Bodenpartikel und bildet so Humus. Dieser Humus ist ein Wasser- und Nährstoffspeicher und damit ein Garant für Bodenfruchtbarkeit. Am Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. erforschen Sommer und seine Mitarbeiter bereits seit vielen Jahren, wie die Erosion durch Wind und Wasser die Verteilung von Kohlenstoff und anderen Bodeneigenschaften und -bestandteilen in der Landschaften beeinflusst.

Die Farbvielfalt der Erdoberfläche findet sich auch in der Tiefe wieder. Das zeigen Bohrkerne, die die Forscher auf den Ackerflächen »ziehen«, wie es in der Fachsprache heißt. Durchgängig dunkel gefärbte Böden finden sie in Senken, wo sich der fruchtbare, humusreiche Boden ablagert, den Wind und Regen und auch der Pflug von den benachbarten Kuppen und Hängen abgetragen haben. Auf den Kuppen zeigen die Kerne nur dünne Schichten graubraunen, wenig fruchtbaren Oberbodens. Darunter ist es hellgrau und hart. Die Pflanzenwurzeln gelangen hier nicht tief in den Boden. »Diese Vielfalt an unterschiedlich stark erodierten Böden auf engstem Raum und damit auch an unterschiedlichen Wachstumsbedingungen für Pflanzen ist typisch für weite Teile der ackerbaulich genutzten Landschaften«, erklärt Michael Sommer.

Böden als dynamische Kohlenstoffspeicher

Sommer teilt die Böden bezüglich des Kohlenstoffes in zwei Kategorien ein: »Entweder stehen sie im Gleichgewicht mit den aktuellen Umweltbedingungen oder im Ungleichgewicht«, erklärt er. Gleichgewicht bedeutet, dass ein Boden über mehrere Jahre hinweg so viel Kohlenstoff aufnimmt wie er als CO2 abgibt. Die Humusmenge ändert sich in diesem Fall nicht und der Boden verhält sich »CO2-neutral«.

In ackerbaulich genutzten Landschaften sind solche Böden aber selten. Viele von Erosion betroffene Ackerböden sind hinsichtlich des Kohlenstoffes »untersättigt«. Eigentlich könnten sie bis zum Erreichen ihres Gleichgewichtes noch Kohlenstoff binden und damit den CO2-Gehalt in der Atmosphäre senken. Diese Böden haben also ein großes Speicherpotenzial, sind Leue und Sommer überzeugt.

Auch nicht erodierte Böden können noch zusätzlichen Kohlenstoff binden. Dieses Potenzial könnte mit einem in den 1960er Jahren entwickelten und heute fast vergessenen System der Bodenbearbeitung gehoben werden. »Partielle Krumenvertiefung« nennt sich die Methode, bei der nicht, wie sonst üblich, nur 25 cm tief gepflügt wird, sondern 50 Zentimeter tiefe und 10 Zentimetern breite Schächte im Abstand von 70 Zentimeter gepflügt werden. Fruchtbarer Oberboden wird damit in den Unterboden gebracht, was den Pflanzenwuchs deutlich fördert. Gleichzeitig wird kohlenstoffarmer Unterboden in den Oberboden eingemischt, der dort für neue Bindungsmöglichkeiten von Kohlenstoff sorgt. »Nach fünf bis zehn Jahren ist der Humusgehalt des Oberbodens wieder auf dem Niveau wie vor der partiellen Krumenvertiefung«, erklärt Michael Sommer. »Die Kohlenstoffvorräte in den Böden nehmen so insgesamt zu – und das ist gut fürs Klima und für die Bodenfruchtbarkeit.« Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) ist sehr an dem Verfahren interessiert und finanziert noch bis 2022 ein Projekt dazu am ZALF.

Prof. Dr. Michael Sommer (links) leitet am ZALF den Programmbereich 1 »Landschaftsprozesse« sowie die Arbeitsgruppe »Landschaftspedologie«, in der auch Dr. Martin Leue (rechts) forscht. In der Mitte sind fünf Bohrkerne zu sehen, welche die Vielfalt der Böden auf einem einzigen Feld mit Bodenerosion verdeutlichen. © Sylvia Koszinski | ZALF

Die dreidimensionale Haut der Erde

Nun geht es darum, möglichst schnell und effizient die genaue Lage und Speicherpotenziale solcher Böden zu identifizieren. Wie viel Kohlenstoff ein Boden tatsächlich aufnehmen kann, hängt von vielen Faktoren ab. Besondere Bedeutung haben hierbei Eisenoxide und Tonminerale. Diese ermitteln die Forschenden indirekt, mithilfe einer am ZALF optimierten speziellen Bodensensorik, die optische Verfahren sowie Infrarot- und Röntgenfluoreszenzspektroskopie umfasst. »Für die Messung eines Kerns benötigen wir nur 30 Minuten, das ist unheimlich schnell«, sagt Martin Leue. »Damit können wir viele Kerne in kurzer Zeit relativ preiswert analysieren und auch größere Landschaftsausschnitte hoch aufgelöst untersuchen.«

In einem nächsten Schritt schlagen die Forschenden den Bogen zur Landwirtschaft 4.0 und kombinieren die gewonnenen Daten mit Informationen aus der modernen, drohnen- und satellitengestützten Fernerkundung. Das Ergebnis sind räumlich hochauflösende, dreidimensionale Bodeninformationen. Sie zeigen detailliert, wo es auf dem Acker besonders fruchtbare oder stark erodierte Flächen gibt. Mit Hilfe von mathematischen Modellen wollen die Forschenden künftig außerdem ein dreidimensionales digitales Abbild der Ackerböden schaffen, um Speicherpotenziale für Kohlenstoff noch effektiver ausnutzen zu können und die Bodenfruchtbarkeit gezielt weiter zu erhöhen.

»Diese Art der Bodenlandschaftsmodellierung ist die Zukunft, und wir beginnen hier gerade, dieses Neuland zu betreten«, erklärt Sommer begeistert. Digitalisierung allein reicht allerdings nicht: Gleichzeitig gelte es, das bodenkundliche Expertenwissen der Forscherinnen und Forscher mit dem umfassenden Erfahrungswissen der lokalen, landwirtschaftlichen Praxis zu verknüpfen. So mancher Landwirt ist beim ersten Blick auf die farbenfrohen Bilder seiner Ackerflächen erstaunt. Schnell bestätigen sich dann langjährige Erfahrungswerte, etwa über »Problemstellen« auf dem Acker, die durch die Bodeninformationen gestützt werden können. »Das schafft Vertrauen, auch, um dann Innovationen wie die Krumenvertiefung und weitere Anpassungsstrategien gemeinsam erproben zu können«, blickt Sommer in die Zukunft.

Weiterführende Informationen

Für den Hörbeitrag haben wir den Sound “AUS Drone Pass 04.wav” von DCPoke, gefunden auf Freesound.org, verwendet.

Institution: Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V.
Ansprechpartner/in: Prof. Dr. Michael Sommer

Kommentieren

Newsletter abonnieren

Vier- bis sechsmal jährlich informieren wir über Fakten, News und Ideen rund um die Landwirtschaft der Zukunft.