Bodenbiodiversität

Viele Prozesse im Boden werden von Bodenlebewesen reguliert. Es gibt zunehmend Erkenntnisse, die darauf hindeuten, dass man Bodenlebewesen gezielt fördern und nutzen kann um negative Umwelteffekte wie Bodenerosion, Auswaschung von Nährstoffen, Humusverluste, Nitrat im Trinkwasser etc. mit sehr geringen Ertragseinbussen zu reduzieren (vgl. folgende Abbildung). Die ökologische Intensivierung der Landwirtschaft, das heisst ökologische Prozesse nutzen um gute Erträge zu erreichen, erregt momentan grosses Interesse. Eine gezielte Optimierung der Bodenfruchtbarkeit und Bodengesundheit mit Hilfe des Bodenlebens ist dabei eine zentrale Möglichkeit, die noch ungenügend erforscht worden ist.

Konzept der ökologischen Intensivierung des Bodens. Gelbe Pfeile zeigen die Beziehung zwischen Ressourceninputs, Ressourcenverlusten und internen regulatorischen Prozessen, welche von Bodenlebewesen in Systemen mit unterschiedlicher Nutzungsintensität durchgeführt werden. Das extensive System hat ein reiches Bodenleben, wenig Ressourcen Inputs und Verluste sowie eine geringe Produktivität. Das intensive System hat eine hohe Produktivität, wird stark gedüngt und ist durch grosse Nährstoffverluste und geringes Recycling von Nährstoffen gekennzeichnet. Das nachhaltige System (Mitte) hat eine hohe Bodenbiodiversität, eine gute Produktivität, mittelmässige Düngung, relativ wenig Nährstoffverluste und einen hohen Recyclinggrad. Nach Bender et al. 2016, mit Erlaubnis, Elsevier.

Der Boden ist eines der vielfältigsten Habitate auf der Erde. Es wimmelt im Schweizer Acker- und Wiesenboden von Leben. Ein Gramm Boden enthält schätzungsweise bis zu einer Milliarde Bakterien, tausende Arten von Bakterien, Pilzen und Fadenwürmern, und bis zu 200 Meter Pilzhyphen (vgl. folgende Tabelle). Das Gewicht aller Lebewesen im Boden einer Hektare Land kann bis zu 15 Tonnen betragen, was dem Gewicht von etwa 20 Kühen oder etwa 200 Schafen entspricht. Zum Vergleich: Das Gras einer Hektare Wiese ernährt im Schweizer Flachland gerade einmal zwei Kühe. Die Funktionen dieses unterirdischen Ökosystems und sein Nutzen für die Landwirtschaft und die Umwelt sind zum Teil noch unklar und wenig erforscht.

*Die Abundanz und die Artenvielfalt variieren stark und sie sind abhängig von den folgenden Faktoren: Anbausystem, Bodentyp, Düngungsart, Bodenbearbeitung und Fruchtfolge. Biologisch bewirtschaftete Böden haben generell mehr Mykorrhiza-Pilze, höhere mikrobielle Biomasse und mehr Regenwürmer.

Die Entwicklung von molekularen Methoden hat erst in den letzten Jahren ermöglicht, die Identität der vielen winzigen Bodenorganismen rasch zu bestimmen. Dadurch kann heutzutage untersucht werden, wie sich Anbausysteme, Bodenbearbeitung, Pestizideinsatz und Düngung auf die Bodenlebewesen auswirken und welche Massnahmen man treffen kann um Nützlinge sowie wichtige Bodenfunktionen zu schützen. Mehrere Europäische Studien haben gezeigt, dass Grasland, Kunstwiese oder Fruchtfolge im Vergleich zu jahrelangen Monokulturen einen positiven Einfluss auf das Bodenleben und die Bodenbiodiversität haben (vgl. folgende Abbildung). Die positive Wirkung von Grasland, Kunstwiese und Fruchtfolge auf die Bodenbiodiversität ist verknüpft mit geringeren Bodenerosionsraten, grösseren Kohlenstoffspeicherkapazitäten und einer effizienteren Nutzung von Nährstoffen.

Intensive Landwirtschaft reduziert die Bodenbiodiversität. Anzahl funktioneller Gruppen von Bodenlebewesen in unterschiedlich bewirtschaften Systemen in 4 Ländern.

Der Boden beinhaltet eine Vielzahl von Nützlingen. Forschungsergebnisse mit Modellsystemen haben gezeigt, dass diese Nützlinge und die Bodenbiodiversität im Allgemeinen einen positiven Einfluss auf die Multifunktionalität von Grasland- und Ackerbausystemen haben (Bender et al. 2016). In Systemen mit viel Bodenleben und einer hohen Bodenbiodiversität wurden weniger Nährstoffe ausgewaschen sowie weniger Lachgas (ein klimaschädliches Gas) emittiert. Gleichzeitig wurden die Nährstoffe im Boden von den Pflanzen effizienter genutzt (Bender et al. 2016). Oft werden verschiedene Bodenfunktionen von unterschiedlichen Bodenorganismen unterstützt. Die bedeutendsten und bekanntesten Beispiele sind Regenwürmer, stickstofffixierende Bakterien, Mykorrhiza-Pilze sowie krankheitsunterdrückende Mikroorganismen.

Regenwürmer wühlen sich durch den Boden und durchmischen ihn (Jossi et al. 2012). Sie erzeugen eine stabile Bodenstruktur mit Poren zur optimalen Durchlüftung und Wasserverteilung und erhalten damit den Boden gesund und ertragreich. In einem regenwurmaktiven Boden können bis zu 6 t/ha gehäckseltes Getreidestroh vom Dreschzeitpunkt bis zur Ansaat im folgenden Frühjahr von Regenwürmern abgebaut werden. Die Röhren der tiefgrabenden Regenwürmer verbinden den Ober- mit dem Unterboden und verbessern damit den Wasser- und Lufttransport. Durch die senkrechten Röhren versickern grosse Regenwassermengen, was sich bei Starkniederschlägen erosionsmindernd auswirkt.

Für die landwirtschaftliche Produktion sind die stickstofffixierenden Bakterien, welche mit Leguminosen eine Symbiose bilden, wahrscheinlich am bedeutendsten. Stickstofffixierende Bakterien leben in Knöllchen von Kleepflanzen und anderen Leguminosen. Sie setzen Stickstoff aus der Luft in Ammonium um, welches dann von den Pflanzen aufgenommen werden kann. Da Pflanzen Stickstoff aus der Luft nicht selbst direkt aufnehmen können und Mangel an Stickstoff oft wachstumslimitierend wirkt, sind stickstofffixierende Bakterien von grosser Bedeutung für die landwirtschaftliche Produktion. In einer zweijährigen Kunstwiese mit einem hohen Kleeanteil können diese Bakterien bis zu 400 kg Stickstoff pro Hektare fixieren (Nyfeler et al. 2011). Zum Vergleich: Um mittels des Haber-Bosch Verfahrens 400 kg synthetischen Stickstoff zu produzieren braucht es gleichviel Energie wie in circa 800 Liter Benzin enthalten ist. Dies entspricht dem Benzinverbrauch für eine Autofahrt von der Schweiz nach New Delhi in Indien. Insbesondere die biologische Landwirtschaft, in welcher keine synthetischen Mineraldünger eingesetzt werden, ist auf die Symbiose zwischen Pflanzen und stickstofffixierenden Bakterien angewiesen. Daher sind Kunstwiesen im Biolandbau weit verbreitet.

Eine weitere Gruppe von Nützlingen sind Mykorrhiza-Pilze (Köhl and van der Heijden 2016). Mykorrhiza-Pilze gehen mit Pflanzen eine Lebensgemeinschaft ein, welche für beide Partner meist vorteilhaft ist (Symbiose). Sie bilden im Boden ein weit verzweigtes Netzwerk von feinen Pilzhyphen. Dadurch wird der von den Pflanzenwurzeln erreichbare Bodenraum erweitert und die Nährstoffversorgung der Pflanzen verbessert. Für eine Parzelle in Tänikon (Thurgau, CH) wurde geschätzt, dass circa 25 % des Phosphats in Maispflanzen durch natürlich vorkommende Mykorrhiza-Pilzen aufgenommen und dann an die Pflanzen weitergeleitet wurde. In nährstoffarmen Böden kann dieser Anteil noch viel höher sein und bis zu 90 % ausmachen (van der Heijden et al. 2008).

Eine weitere wichtige Gruppe sind Mikroorganismen wie Pseudomonas Bakterien. Zusammen mit noch kaum erforschten Helfern wirken diese Bakterien im Boden krankheitsunterdrückend. Diese Funktion ist wichtig, da im Boden nicht nur Nützlinge sondern auch bodenbürtige Krankheitserreger leben, die grosse Ertragsverluste verursachen können. Ob die biologische Bekämpfung von Krankheiten im Acker- und Gemüsebau im Freiland je so effizient gestaltet werden kann wie im Gewächshaus, wo Tomaten, Paprika und Co. fast ohne Pestizide und mit Hilfe natürlicher Feinde unter Kontrolle gehalten werden können, ist jedoch ungewiss. Der Dschungel unter unseren Füssen bewahrt immer noch viele Geheimnisse, deren Erforschung mit einem grossen Potential und hohen Erwartungen verbunden ist.

Die biologische Landwirtschaft hat generell einen positiven Einfluss auf das Bodenleben und die Bodenbiodiversität. Biologisch bewirtschaftete Äcker in der Schweiz enthalten im Durchschnitt bis zu 50 % mehr nützliche Mykorrhiza-Pilze, mehr Regenwürmer und circa 10 – 20 % mehr mikrobielle Biomasse als konventionell bewirtschaftete Äcker (Honegger et al. 2014). In kürzlich durchgeführten Vergleichen mit Betriebsnetzen fanden wir, dass biologisch bewirtschaftete Äcker im Vergleich zu ÖLN Äckern durchschnittlich circa 25 % mehr Kohlenstoff speichern (Kohlenstoffspeicherung ist wichtig um das Treibhausgas CO₂ zu reduzieren). Die Gründe dafür werden momentan untersucht. Ebenfalls ist in den biologisch bewirtschafteten Äckern die Bodenstruktur generell besser. Dies hängt vermutlich mit der erhöhten biologischen Aktivität im Untergrund zusammen. Es scheint dass die biologische Landwirtschaft stärker von gut funktionierenden Böden abhängig ist und dass Bodenlebewesen für einen höheren Anteil der Nährstoffversorgung der Ackerkulturen verantwortlich sind (vgl. folgende Abbildung). Dies hängt auch damit zusammen, dass in der biologischen Landwirtschaft keine synthetischen Mineraldünger benutzt werden. Dadurch ist die Produktion stärker auf organische Dünger und das Recycling von Nährstoffen im Boden angewiesen.

Konzeptuelles Modell zum Einfluss von externen Ressourceninputs (Mineraldünger, Pestizide) und natürlichen Prozessen auf den Ertrag. Mittels Förderung des Bodenökosystems durch Bodenökologische Optimierung können externe Inputs durch natürlich Prozesse (zum Beispiel biologische Stickstofffixierung) ersetzt werden. Dadurch erhöhen sich die Umweltleistungen des landwirtschaftlichen Systems mit einem relativ geringen Einfluss auf das Ertragsniveau. Bei der Bewirtschaftung nach den Regeln des ökologischen Leistungsnachweis (ÖLN) wird ein Teil des externen Inputs durch natürliche Prozesse ersetzt. In der biologischen Landwirtschaft wird ein noch grösserer Teil der externen Inputs durch natürliche Prozesse ersetzt.

Landwirte haben zwei Möglichkeiten um Nützlinge im Boden zu fördern:

Mit einer bodenschonenden Bearbeitung (Pflugeinsatz ist nicht immer notwendig, pfluglose Verfahren sparen dazu noch Energie und Zeit) oder einer vielfältigen Fruchtfolge mit mehrjährigen Kunstwiesen und Zwischenbegrünungen fördert man oft die Regenwürmer und Mykorrhiza-Pilze. Mineraldüngung reduziert die Populationsgrösse von verschiedene Bodenlebewesen, insbesondere Mykorrhiza-Pilze(Köhl and van der Heijden 2016). Dagegen hat das Ausbringen von Gülle, Mist oder Kompost generell weniger Effekt. Durch das Ansäen von Kunstwiesen oder den Anbau von Leguminosen (Erbsen, Klee, Ackerbohnen und Soja) kann die biologische Stickstofffixierung und N-Verfügbarkeit direkt gefördert und genutzt werden.

Es ist auch möglich Nützlinge wie Mykorrhiza-Pilze und Bakterien gezielt dem Boden zuzuführen. Dabei werden einzelne oder eine Mischung aus wenigen Arten von Mikroorganismen als Pulver oder Granulat eingebracht (Köhl and van der Heijden 2016). Mehrere Saatgutproduzenten prüfen, ob die Behandlung von Saatgut mit Nützlingen Potenzial hat. Zum Beispiel bei Soja (wo die Stickstofffixierende Symbionten in der Schweiz nicht einheimisch sind) wird dies schon erfolgreich durchgeführt. Der Markt für andere Nützlinge ist oft noch relativ neu und einzelne Produkte und Anbieter sind nicht zwingend zuverlässig. Teilweise sind auch die Bedingungen, unter denen die Produkte eingesetzt werden, nicht geeignet, wodurch sich die Nützlinge nicht angepasst sind oder sich nicht etablieren können. Durch weitere Forschungsarbeiten und stärkere unabhängige Kontrollen könnte es jedoch schon bald mehr qualitativ hochwertige Produkte auf dem Markt geben.

Das Bodenleben und die Bodenbiodiversität spielen eine Schlüsselrolle für einen funktionierenden Boden und somit für die landwirtschaftliche Produktion. Wenn die Landwirtschaft das unterirdische Leben nutzt und durch «Bodenökologische Optimierung» fördert, kann dies Kosten senken und die Umwelt schützen.    

Literatur

Orgiazzi A, et al. (2016). Global soil biodiversity atlas.
 
Bender SF, Wagg C, van der Heijden MGA (2016) An underground revolution: Bio-diversity and soil ecological engineering for agricultural sustainability. Trends in Ecology and Evolution 31: 440 – 452.
 
Wieder WR, Bonan GB, Allison SD. 2013. Global soil carbon projections are im-proved by modelling microbial processes. Nature Climate Change 3: 909 – 912.
 
Tsiafouli MA, et al. «Intensive agriculture reduces soil biodiversity across Europe.» Global change biology 21.2 (2015): 973 – 985.
 
Jossi W, et al. 2012. Regenwürmer: Gratisarbeiter im Untergrund. Agridea Merkblatt (www.agridea.ch), in Zusammenarbeit mit UFA-Revue.
 
Nyfeler D, et al. (2011). Grass–legume mixtures can yield more nitrogen than leg-ume pure stands due to mutual stimulation of nitrogen uptake from symbiotic and non-symbiotic sources. Agriculture, ecosystems & environment, 140(1), 155 – 163.
 
Köhl, L., & van der Heijden, M., (2016). Bauer sucht Pilz – Eine fruchtbare Bezie-hung. Agridea Merkblatt (www.agridea.ch).
 
Van der Heijden MGA, Bardgett RD, van Straalen NM (2008) The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems. Ecology Letters 11: 296 – 310.
 
Honegger A, et al. (2014) Auswirkungen langjähriger biologischer Landwirtschaft. Agrarforschung Schweiz 5 (2), pp. 44 – 51 .
 
Säle et al. (2016) Impact of conservation tillage and organic farming on the diversi-ty of arbuscular mycorrhizal fungi. Soil Biology and Biochemistry 84 (2015): 38 – 52.
 
Oehl et al. (2004) Impact of long-term conventional and organic farming on the di-versity of arbuscular mycorrhizal fungi. Oecologia 138.4 (2004): 574 – 583.
 
Jossi et al. (2011) «Reduzierte Bodenbearbeitung schont die Regenwürmer.» Agrar-forschung Schweiz 2.10: 432 – 439.
 
Birkhofer et al. (2008) Long-term organic farming fosters below and aboveground biota: «Implications for soil quality, biological control and productivity.» Soil Biology and Biochemistry 40.9: 2297 – 2308.
 
Hartmann et al. (2015) Distinct soil microbial diversity under long-term organic and conventional farming. The ISME journal 9.5 (2015): 1177 – 1194.
 
Hartman et al. unveröffentlicht (FAST Versuch Agroscope).

Marcel van der Heijden & Franz Bender, Forschungsbereich Agrarökologie und Umwelt, Agroscope
Jérôme Frei, BLW, Agrarumweltsysteme und Nährstoffe, jerome.frei@blw.admin.ch