Durchwurzelbarkeit – ein Indikator für die Bodenfruchtbarkeit

Wurzeln verkörpern die unterirdische, im Boden wachsende Komponente der Pflanzen. Sie dienen der Verankerung der Pflanze im Boden, der Aufnahme von Wasser und Nährstoffen aus dem Boden sowie deren Transport zum Spross.

Wurzeln im Boden Wurzeln im Boden
© Schroetter, JKI-PB

Das Wurzelsystem kann in Abhängigkeit von Pflanzenart und Bewirtschaftung mehr als die Hälfte der Gesamtbiomasse einer Pflanze ausmachen und, Haupt- und Nebenwurzeln zusammengenommen, eine größere Gesamtlänge als das oberirdisch wachsende Spross-System erreichen (Hopkins, 1995). Das Wurzel:Spross-Verhältnis von einjährigen Ackerbaukulturen liegt mit durchschnittlich 0,1 wesentlich niedriger als das von Grünland mit 3,7 (Jackson et al., 1996).

Für die Bewertung der Bodenfruchtbarkeit ist die Begrenzung des tatsächlichen Wurzelraumes ausschlaggebend. Bestimmende und messbare Parameter sind die Durchwurzelbarkeit, die Durchwurzelungsintensität und die effektive Durchwurzelungstiefe.

Unter Durchwurzelbarkeit wird die Tiefe verstanden, bis zu der die Pflanzenwurzeln unter den gegebenen Standortbedingungen tatsächlich in den Boden eindringen können (Ad-hoc-AG Boden, 2005). Ackerböden mit gut erschlossenem Untergrund weisen bei nachhaltiger Bewirtschaftung Wurzelraumtiefen von mehr als 80 cm auf. Die maximal mögliche Durchwurzelungstiefe liegt standortabhängig zwischen 15 cm auf Böden mit flach anstehendem Felsgestein und ca. 250 cm auf tiefgründigen Schwarzerden aus Löß ohne Unterbodenverdichtungen (Kundler et al., 1989; Schroeder, 1992; Ad-hoc-AG Boden, 2005).

Grafik zur Verteilung der Wurzelmasse im Boden Verteilung der Wurzeltrockenmasse
Abb. 1: Verteilung der Wurzeltrockenmasse [t/ha] von Zwischenfrüchten, lehmiger Sandboden, Ende der Vegetationsperiode, Müncheberg (Rogasik et al., 1992, verändert)

Der Wurzeltiefgang von Wild- und Kulturpflanzen ist artspezifisch genetisch festgelegt, die maximale Wurzeltiefe wird sukzessive im Verlauf der Pflanzenentwicklung erreicht (Kutschera, 1960; Schroeder, 1992). Der Hauptanteil der Wurzeln - bis zu 90 Prozent der Wurzeltrockenmasse - ist bei optimaler Wasser- und Nährstoffversorgung im Oberboden (0 - 30 cm Tiefe) zu finden. Die Wurzelmasse nimmt mit zunehmender Bodentiefe ab (Abb. 1).

Die Durchwurzelungsintensität wird bestimmt durch Größe und Form des Wurzelsystems, seiner Ausbreitung in der Fläche und insbesondere der wasseraufnehmenden Wurzeloberfläche. Da das Wachstum der Pflanzenwurzel parallel zur Sprossentwicklung erfolgt, durchwurzeln einjährige Nutzpflanzen wie Mais aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer den Boden weniger intensiv als mehrjährig genutzte Kulturen wie beispielsweise Luzerne-Gras oder die zur Energiegewinnung angebaute Durchwachsene Silphie (Abb. 2).

Grafik zur Wurzelmasse Wurzelmasse
Abb. 2: Wurzelform von Durchwachsener Silphie (mehrjährig) und Mais (einjährig), Anzucht in Sandkultur © Schroetter

Die effektive Durchwurzelungstiefe ist definiert als rechnerisch bestimmte Mächtigkeit einer von Bodenart und Trockenrohdichte abhängigen Bodenzone, die als effektiver Wurzelraum bezeichnet wird (Ad-hoc-AG Boden, 2005). Im effektiven Wurzelraum kann das pflanzennutzbare Bodenwasser von den Pflanzenwurzeln voll ausgeschöpft werden. Da der Hauptwurzelraum der meisten Wild- und Kulturpflanzen auf den Oberboden beschränkt ist, entscheidet in Trockenperioden die Kapillarität des Unterbodens darüber, in welchem Umfang Wasser und gelöste Nährstoffe in den Hauptwurzelraum aufsteigen können (Schroeder, 1992; Blume et al., 2011).

Neben der Bodenkonsistenz und den sie bestimmenden Faktoren können eine ganze Reihe von exogenen Faktoren die Durchwurzelbarkeit eines Standortes entscheidend beeinflussen. Stark verdichtete Horizonte mit geringem Gehalt an Grobporen, Ortstein, Raseneisenstein, ein hoher Salzgehalt oder extreme pH- Werte können bewirken, dass der Wurzelraum nur Teile des eigentlich durchwurzelbaren Bodenkörpers umfasst (Schroeder, 1992). Ungenügende Wasserdurchlässigkeit und Durchlüftung in verdichteten lehmigen und tonigen Unterböden hemmen die Durchwurzelung ebenso wie stark verdichtete sandige Unterböden, die einen hohen mechanischen Eindringwiderstand für die Wurzeln aufweisen. Außerdem werden Nährstoffarmut, Luftmangel und hoch anstehendes Grund- oder Stauwasser als hindernde Faktoren angeführt (Ad-hoc-AG Boden, 2005; Blume et al., 2011).

Das Wurzelwachstum landwirtschaftlicher Nutzpflanzen ist durch die Bodenbewirtschaftung direkt beeinflussbar: optimale Nährstoffversorgung durch ausgewogene organisch-mineralische Düngung bewirkte bei Winterweizen eine intensivere Durchwurzelung des Oberbodens. Untersuchungen zum Zeitpunkt der Blüte - bei Getreide das Stadium mit der größten Wurzelmasse – zeigten, dass in der Schicht von 0 bis 30 cm mehr feine und stärker verzweigte Wurzeln vorhanden waren, ohne signifikante Veränderung der Wurzeltrockenmasse insgesamt (Schroetter et al., 2006) (Abb. 3).

Grafik zum Einfluss Bodenbearbeitung auf Wurzelwachstum Einfluss Bodenbearbeitung auf Wurzelwachstum
Abb. 4: Einfluss der Bodenbearbeitung auf die Wurzelentwicklung von Kulturpflanzen mit unterschiedlichen Wurzelformen zum Zeitpunkt der Blüte, Oberboden (0 - 30 cm), lehmiger Sand (Schroetter et al., 2006, verändert)

Pflanzen, die durch bedarfsangepasste organisch-mineralische Düngung und Bewässerung durchgängig ausreichend mit Nährstoffen und Wasser versorgt sind, durchwurzeln primär die oberen Bodenschichten, sie müssen nicht zwingend tiefer wurzeln, um Reserven zu erschließen. Einen besonders starken Effekt auf die Durchwurzelbarkeit und somit auf das Wurzelwachstum haben die Bodenbearbeitungsverfahren, da sie physikalische Eigenschaften eines Bodens wie Lagerungsdichte, Porenvolumen, Wasser- und Luftführung verändern. In Langzeit-Feldexperimenten auf einem leichten Standort wurde durch konservierende, pfluglose Bodenbearbeitung, verglichen mit wendender Bodenbearbeitung, insbesondere die intensivere Durchwurzelung des Oberbodens gefördert (Schroetter et al., 2006) (Abb. 4).

Dieser Effekt zeigte sich sehr ausgeprägt bei den geprüften Wintergetreidearten, die eine stark verzweigte Büschelwurzel mit seitlicher Ausbreitung in der Fläche haben. Ackerbohnen, deren Wurzelsystem aus einer tiefgehenden Hauptwurzel mit Nebenwurzeln besteht, reagierten auf die pfluglose Bodenbearbeitung mit einer größeren Wurzeltrockenmasse bei nahezu unveränderter Durchwurzelungsintensität.

Fazit

  • Die Mächtigkeit des durchwurzelbaren Bodenraumes bestimmt zusammen mit den Eigenschaften der einzelnen Bodenhorizonte und -schichten die Kapazität an pflanzenverfügbaren Wasser- und Nährstoffmengen und die Nährstoffreserven, die mittel- und längerfristig durch Zersetzungsprozesse frei werden.
  • Die Durchwurzelungsintensität ist ausschlaggebend für das Ausnutzungspotenzial von im Wurzelraum vorhandenen Wasser- und Nährstoffreservoirs. Die im Boden wachsenden Wurzeln beeinflussen im Gegenzug durch Wurzelatmung, Abgabe von Wurzelinhaltsstoffen und Wechselwirkungen mit den in der Rhizosphäre lebenden Mikroorganismen aktiv die Bodeneigenschaften.
  • Im Verlauf einer Vegetationsperiode werden neue Wurzeln gebildet, andere sterben ab und werden umgesetzt. Dieser Prozess wird durch die genetischen Eigenschaften der Pflanzen gesteuert, aber auch von den in der Wurzelzone gegebenen physikalischen und chemischen Bodeneigenschaften, der Nährstoffversorgung und dem Wasserangebot. Im Gegenzug liefern Wurzeln und Ernterückstände einen nicht zu unterschätzenden Input an leicht umsetzbarer organischer Substanz und tragen dadurch zur Erhaltung der Fruchtbarkeit landwirtschaftlich genutzter Böden bei.

Ein Beitrag von Susanne Schroetter (Julius Kühn-Institut, Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde, Braunschweig).

Literatur

Ad-hoc-AG Boden (2005): Bodenkundliche Kartieranleitung – 5. Aufl., Schweizerbart`sche Verlagsbuchhandl., Stuttgart; 438 S.

Blume, H.-P.; Stahr, K.; Leinweber, P. (2011): Bodenkundliches Praktikum. Eine Einführung in pedologisches Arbeiten für Ökologen, insbesondere Land- und Forstwirte, und für Geowissenschaftler. 3. überarb. Aufl., Spektrum, Akad. Verl., Heidelberg; 255 S.

Hopkins, W.G. (1995): Introduction to Plant Physiology. John Wiley & Sons, New York; 464 S.

Jackson, R.B.; Canadell, J.; Ehleringer, J.R.; Mooney, H.A.; Sala O.E.; Schulze, E.D. (1996): A global analysis of root distribution for terrestrial biomes. Oecologia 108, S. 389-411

Kundler, P.; Steinbrenner, K.; Smukalski, M.; Kunze, A.; Quast, J.; Roth, D. (1989): Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit.1. Aufl., VEB Deutscher Landwirtschaftsverl., Berlin; 452 S.

Kutschera, L. (1960): Wurzelatlas mitteleuropäischer Ackerunkräuter und Kulturpflanzen. DLG-Verl., Frankfurt/M.; 574 S.

Rogasik, J.; Smukalski, M.; Obenauf, S. (1992): Cover crops on sandland in Germany: husbandry and fate of nitrogen. Asp. Appl. Biol. 30, S. 309-316

Schroeder, D. (1992): Bodenkunde in Stichworten. 5. Rev. U. erw. Aufl. von W.E.H. Blum, Hirt in der Gebr.-Borntraeger-Verl.-Buchhandl., Berlin, Stuttgart; 175 S.

Schroetter, S.; Rogasik, J.; Schnug, E. (2006): Root growth and agricultural management. In: Lal, R. (Hrsg.): Encyclopedia of Soil Science. 2nd ed., vol. 2, Taylor & Francis, New York, Basel; S. 1531-1534

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