Studies on factors affecting the infiltration capacity of agricultural soils

English. The purpose of this work was to identify factors influencing the infiltration capacity of agricultural lands in order to evaluate “infiltration” as an indicator of soil protection against degradation or water erosion. Long-term field experiments and fields on experimental farms with different land use systems and agricultural management practices were investigated for soil physical, chemical and biological characteristics and their effects on the infiltration capacity. The most important factors affecting infiltration were selected on the basis of the single regression analysis. The different impacts of the selected parameters on infiltration have been identified based on the multiple regression analysis. The soil protection indicator “infiltration” was described according to adequate model algorithms. 1 The investigation of soil infiltration rate under different land use systems produced the following findings: - The infiltration rate of soil was found to be highest in the forest followed by the natural succession and lowest in the arable land. - The high infiltration rates in the forest were attributed to higher macropores resulting from the great root activity, which leads also to high lateral fluxes into the soil resulting in higher infiltration rates. - The higher infiltration rate in the natural succession was due to a higher soil structural stability produced by a higher aggregate stability, which in turn was generated by a greater soil organic matter content. In addition, the natural succession soil had less subsoil compaction and a lower bulk density, besides a higher fraction of biopores mostly produced by larger earthworm abundance, which contributed to increased soil infiltration rates. 2 The investigation of soil infiltration rate under different farming systems yielded the following results: - Organic farming resulted in higher soil infiltration rates in comparison to conventional farming. - The higher infiltration rate in the organically managed field ( Field O3), as contrasted with the conventionally managed field ( Field C1), was traced back to a higher soil mechanical stability, a higher fraction of macro- or biopores (soil pores with a diameter > 50μm) related to the earthworm activity. The earthworm population in Field O3 was twice as greater than in Field C1. 3 The investigation of soil infiltration rate under different soil tillage treatments reported the following consequences: - The soil infiltration rate was found to be higher under shallow tillage as compared to deep tillage. Also, conservation tillage yielded a higher infiltration rate in comparison to conventional tillage. - Conservation tillage resulted in a higher aggregate stability, which contributed to a higher soil infiltration rate in comparison to conventional tillage. - Shallow tillage produced a higher soil biological activity indicated by a larger earthworm population, especially a greater number of deep earthworms “anecic”, and a higher dehydrogenase activity, as well as a higher soil structural stability, which promoted higher infiltration rates compared to deep tillage. 4 The investigation of soil infiltration rate under different fertilization treatments revealed the following effects: - The infiltration rate was higher under the organic (fym) and the combined (NPK+fym) fertilization than under the mineral fertilization (NPK). - The organic (fym) and the combined (NPK+fym) fertilization resulted in a higher soil stability, a lower subsoil compaction, a greater organic matter content, a larger earthworm biomass and number particularly a greater number of deep “anecic” earthworms which supported higher soil infiltration rates in comparison to the mineral fertilization (NPK). 5 The multiple regression analysis for the most important factors affecting the water infiltration of soil resulted in the following findings: - At the site Braunschweig, the carbon stock had the highest influences on the infiltration rate followed by the soil dry bulk density and earthworm abundance. - At the sites Trenthorst and Mariensee together, the greatest effects on the infiltration rate emerged from the soil textural classes (silt and clay content of the topsoil) followed by the soil dry bulk density and the earthworm abundance per carbon stock, as well as the aggregate stability of the topsoil. 6 The evaluation of the soil infiltration measurements revealed that the infiltration capacity is an adequate integrating measure for soil quality. The improved soil properties produce a high soil protection against water erosion and simultaneously a high soil infiltration capacity. Hence, the soil infiltration capacity can reflect the level of soil degradation and subsequently it can be used as a fundamental basis for measures of soil protection.

German. Ziel der Arbeit war es, Einflussfaktoren der Infiltrationskapazität landwirtschaftlicher Böden zu identifizieren, um die „Infiltration“ als Indikator für den Schutz des Bodens gegen Degradation, z.B. Wassererosion, zu bewerten. Dazu wurden Langzeitversuche und Praxisschläge mit unterschiedlicher Landnutzung und Bewirtschaftungsform auf bodenphysikalische, bodenchemische und bodenbiologische Eigenschaften untersucht und deren Einfluss auf die Infiltrationskapazität der Böden quantifiziert. Die wichtigsten Einflussfaktoren für hohe Infiltrationsraten wurden mittels Regressionsanalyse bestimmt. Die unterschiedliche Einflussnahme der ausgewählten Parameter auf die Infiltrationskapazität wurde auf der Basis der multiplen Regressionsanalyse berechnet. Der Bodenschutzindikator "Infiltration" wurde durch abgeleitete Modell-Algorithmen angemessenen beschrieben. 1 Die Untersuchung der Infiltrationsraten bei unterschiedlicher Landnutzung ergab folgende Ergebnisse: o Die Infiltrationsrate war unter forstwirtschaftlicher Nutzung am höchsten, gefolgt von der natürlichen Sukzession. Auf ackerbaulichen Flächen war sie am geringsten. o Die hohen Infiltrationsraten bei Waldböden waren das Ergebnis einer größeren Anzahl von Makroporen durch eine intensive Wurzelaktivität, die wiederum zu einem erhöhten lateralen Fluss und somit zu erhöhten Infiltrationsraten führte. o Bei der natürlichen Sukzession war besonders die verbesserte Strukturstabilität (großer Anteil stabiler Aggregate durch vermehrte organische Bodensubstanz) ausschlaggebend für erhöhte Infiltrationsraten. Zusätzlich war der Unterboden aufgrund der geringeren Trockenrohdichte weniger verdichtet. Hohe Anteile von Bioporen, die zum größten Anteil auf Regenwurmgänge zurückzuführen waren, trugen ebenfalls zu erhöhten Infiltrationsraten bei. 2 Die Untersuchung der Infiltrationsrate für unterschiedliche Bewirtschaftungsformen ergab folgende Ergebnisse: o Ökologische Landwirtschaft führte zu höheren Infiltrationsraten im Vergleich zu konventioneller Landwirtschaft. o Die erhöhten Infiltrationsraten des ökologisch bewirtschafteten Feldes (Feld O3) waren im Vergleich zum konventionellen Feld (Feld C1) auf eine verbesserte mechanische Stabilität des Bodens sowie einen erhöhten Anteil von Makro- bzw. Bioporen (Bodenporen mit einem Durchmesser größer als 50 μm) durch eine hohe Regenwurmaktivität zurückzuführen. Die Regenwurmpopulation des Feldes O3 war doppelt so hoch als im Feld C1. 3 Die Untersuchung der Infiltrationsrate für unterschiedliche Bodenbearbeitungssysteme ergab folgende Ergebnisse: o Die Infiltration von Wasser in den Boden war höher bei flacher im Vergleich zu tieferer Bodenbearbeitung. Zudem zeigte sich eine höhere Infiltrationsrate bei konservierender verglichen mit konventioneller Bodenbearbeitung. o Flache bzw. konservierende Bodenbearbeitung führte im Vergleich zu tiefer gepflügten Feldern zu einer höheren bodenbiologischen Aktivität, die sich durch eine erhöhte Anzahl von tief grabenden Regenwürmern (anecic species), eine erhöhte Dehydrogenaseaktivität und eine verbesserte Aggregatstabilität auszeichnet, was im Endeffekt ansteigende Infiltrationsraten garantiert. 4 Die Untersuchung der Infiltrationsrate bei unterschiedlicher Düngungsstrategie ergab folgende Ergebnisse: o Die Infiltrationsrate war unter organischer (fym) und der kombinierten organischmineralischen Düngung (NPK + fym) höher als unter Einsatz von mineralischen Düngemitteln (NPK). o Organische (fym) und kombiniert organisch-mineralische Düngung (NPK + fym) resultierten in einer erhöhten Aggregatstabilität, geringerer Bodenverdichtung im Unterboden, einer höheren organischen Bodensubstanz, erhöhter Regenwurmbiomasse und insbesondere einer höheren Anzahl von tief grabenden Regenwürmern. Dieses erhöhte die Infiltrationsraten im Vergleich zu nur mineralisch gedüngten Feldern (NPK). 5 Die multiple Regressionsanalyse für die wichtigsten die Wasserinfiltration in den Boden beeinflussenden Faktoren ergab folgende Ergebnisse: o Auf dem Versuchsstandort Braunschweig hatte der Kohlenstoffvorrat im Boden den größten Einfluss auf die Infiltrationsrate, gefolgt von der Trockenrohdichte und der Regenwurmabundance. Auf den Standorten Trendhorst und Mariensee hatten die Bodentextur (Schluff- und Tongehalt des Oberbodens), Trockenrohdichte des Bodens, die Regenwurmanzahl pro Tonne Kohlenstoffvorrat und die Aggregatstabilität des Oberbodens den größten Einfluss. 6 Die Auswertung der Untersuchungen zur Infiltration belegte, dass die Infiltrationskapazität ein adäquates, integrales Maß für die Bewertung der Bodenqualität darstellt. Verbesserte Bodeneigenschaften garantieren einen verbesserten Schutz des Bodens gegenüber Wassererosion und erhöhen gleichzeitig die Infiltrationskapazität des Bodens. Folglich reflektiert sich in der Infiltrationskapazität das Degradationsniveau des Bodens, welches die Grundlage für Maßnahmen des Bodenschutzes darstellt.