Soil is an important ecosystem and at the same time filter and storage for water. With respect to flood and erosion prevention, it is important to improve water retention and infiltration rates in soils to reduce surface run-off. The aim of the study is to quantify the influence of biogenic macropores on infiltration. The effect of the cropping system and management practices on macropore density and infiltration rate was examined. Soil hydraulic conductivity was determined by soil column experiments and field investigations using a hood infiltrometer and rainfall-simulation experiments. Macropores have a great effect on hydraulic conductivity. A large macropore-density results in high infiltration rates. This relationship is described with the skinfactor, applying the Erosion-2D model to adjust infiltration rates. Conservative agricultural management practices show positive effects on earthworm population and hence macropore density. The beneficial effects of no-tillage include less soil disturbance, greater quantities of crop-residues remaining on the soil surface and increased soil moisture.

Driven by many factors, the water supply services (streamflow and groundwater) of many rivers in the dryland area of China have declined significantly. This aggravates the inherent severe water shortages and results in increased severity in the water use conflicts that are threatening sustainable development in the region. Innovative strategies towards more water-efficient land management are vital for enhancing water quantity to ensure water supply security. A key step in the successful development and implementation of such measures is to understand the response of hydrological processes and related services to changes in land management and climate. To this end, it was decided to investigate these processes and responses in the upper reaches of the Jing River (Jinghe), an important meso-scale watershed in the middle reaches of the Yellow River on the Loess Plateau (NW China). It has been shown that vegetation restoration efforts (planting trees and grass) are effective in controlling soil erosion on the Loess Plateau. Shifts in land cover/use lead to modifications of soil physical properties. Yet, it remains unclear if the hydraulic properties have also been improved by vegetation restoration. A better understanding of how vegetation restoration alters soil structure and related soil hydraulic properties, such as water conductivity and soil water storage capacity, is necessary. Three adjacent sites, with comparable soil texture, soil type, and topography but contrasting land cover (Black locust forest, grassland, and cropland), were investigated in a small catchment in the upstream Jinghe watershed (near Jingchuan, Gansu province). Seasonal variations of soil hydraulic properties in topsoil and subsoil were examined. Results revealed that the type of land use had a significant impact on field-saturated, near-saturated hydraulic conductivity, and soil water characteristics. Specifically, conversion from cropland to grass or forests promotes infiltration capacity as a result of increased saturated hydraulic conductivity, air capacity, and macroporosity. Moreover, conversion from cropland to forest tends to promote the formation of mesopores that increase soil water storage capacity. Tillage in cropland temporarily created well-structured topsoil, but also compacted subsoil, as indicated by low subsoil saturated hydraulic conductivity, air capacity, and plant available water capacity. An impact of land cover conversion on unsaturated hydraulic conductivities was not identified, indicating that changes in land cover do not affect functional meso- and microporosity. Changes in soil hydraulic properties and associated hydrological processes and services due to soil conservation efforts need to be considered, should soil conservation measures be implemented in water-limited regions for sustaining adequate water supply. To differentiate between the impacts of land management and climate change on streamflow, the variation of annual streamflow, precipitation, potential evapotranspiration, and climatic water balance in a small catchment of the upstream Jinghe watershed (near Pingliang, Gansu province) was examined during the period of 1955 – 2004. During this time the relative contributions of changes in land management and climate to the reduction of streamflow were estimated. A statistically significant decreasing trend of -1.14 mm y-1 in annual streamflow was detected. Furthermore, an abrupt streamflow reduction due to afforestation and construction of terraces and check-dams was identified around 1980. Remarkably, 74% of the total reduction in mean annual streamflow can be attributed to the soil conservation measures. Among various conservation measures, streamflow could be considerably reduced by afforestation and terracing (including damland creation), due to their low contribution to water yield. In contrast, slope farmland and grassland can maintain a certain level of water supply services due to higher runoff coefficients. According to a meta-analysis of the published studies on the Loess Plateau, the impact of changes in land management on annual streamflow appears to diminish with increasing catchment size while the impact of climate change appears uniform across space. This means that there is a dependency between the catchment size and the response of hydrological processes to environmental change. At least at the local scale, it appears that well-considered land management may help to ensure the water supply services. Due to limited surface water availability, groundwater is an essential water source for supporting ecosystem and socio-economic development in the dryland region. However, the groundwater process is susceptible and vulnerable to changes in climate and landscape (i.e., land cover and form) that in turn can result in profound adverse consequences on water supply services in water-limited regions. In addition, an improved understanding of the response of groundwater related processes to natural and artificial disturbances is likely to ensure more secure and more sustainable governance and management of such regions, as well as better options for adapting to climate change. Yet, this topic has seldom been researched, especially in areas that have already experienced large-scale alteration in landscape and are located in dryland regions, such as the Loess Plateau. Therefore, an investigation of the baseflow variation along the landscape change was conducted. The average annual baseflow has significantly decreased at catchment scale during the period of 1962 – 2002 without any obvious significant change in climate. At decadal scale, the reduction accounts for approximately 9% in the 1970s, 48% in the 1980s, and 92% in the 1990s, while the baseflow index declines averaging 5%, 16% and 67%, respectively. All of the monthly baseflow levels dropped at varying rates except in January, among which July was the most severe in terms of both magnitude (-4.17) and slope (-0.09 mm y-1). In perspective of landscape change, landform change (terrace and check-dam) tends to reduce baseflow by reallocation of surface fluxes and retention for crop growth causing limited deep drainage in other areas. Land cover change (i.e., afforestation) reduced the baseflow to a larger extent by enhanced evapotranspiration and thus hampered deep drainage as suggested by the soil moisture measurement underneath. The study indicates that knowledge about baseflow formation on catchment scale needs further improvement. Integrated soil conservation and water management for optimizing landscape structure and function in order to balance soil (erosion) and water (supply) related hydrological ecosystem services is vital. The governing processes to the changes of water-supply-services-related hydrological process (e.g., streamflow) are assumed to be different across space. To this end, the factors controlling streamflow were investigated on both a small and large scale. Streamflow in small catchments was found to be mainly controlled by precipitation and land cover type. On a larger scale, evaporative demand was found to be another additional major driving force. Hydrological modeling is a frequently used tool for the assessment of impacts of land use and climate change on water balance and water fluxes. However, application of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model in the upstream Jinghe watershed was unsuccessful due to difficulties in calibration. The inability of the SWAT model to take the influence of terraces on steep slopes into consideration and the method how to calculate lateral flow were the main reasons for unsatisfactory calibration, at least for the current version of SWAT used in this study. Alternatively, Budyko’s frameworks were applied to predict the annual and long-term streamflow. However, the effect of changes in land management (e.g., afforestation) on streamflow could not be assessed due to a lack of vegetation factors. Therefore, an empirical analysis tool was derived based on an existing relationship for estimation. This method was found to be the most effective in reproducing the annual and long-term streamflow. The incorporation of temporal changes in land cover and form in the approach enables the estimation of the possible impact of soil conservation measures (e.g., afforestation or terracing). The importance of adaptive land management strategies for mitigating water shortage and securing the water supply services on the Loess Plateau was highlighted. A cross-sectoral view of the multiple services offered by managed ecosystems at different spatial scales under changing environments needs to be integrated to improve adaptive land management policy. In a water limited environment, such as the Loess Plateau, multiple ecosystem services including hydrological services need to be balanced with minimum trade-offs. This can only be achieved when management is based on a holistic understanding of the interdependencies among various ecosystem services and how they might change under alternative land management.

Soil is an important ecosystem and at the same time filter and storage for water. With respect to flood and erosion prevention, it is important to improve water retention and infiltration rates in soils to reduce surface run-off. The aim of the study is to quantify the influence of biogenic macropores on infiltration. The effect of the cropping system and management practices on macropore density and infiltration rate was examined. Soil hydraulic conductivity was determined by soil column experiments and field investigations using a hood infiltrometer and rainfall-simulation experiments. Macropores have a great effect on hydraulic conductivity. A large macropore-density results in high infiltration rates. This relationship is described with the skinfactor, applying the Erosion-2D model to adjust infiltration rates. Conservative agricultural management practices show positive effects on earthworm population and hence macropore density. The beneficial effects of no-tillage include less soil disturbance, greater quantities of crop-residues remaining on the soil surface and increased soil moisture.:Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Danksagung Summary 1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel der Arbeit 2 Stand des Wissens 2.1 Grundlagen zum Wasserfluss im Boden 2.1.1 Beschreibung des Infiltrationsprozesses im Boden 2.2 Definition des Begriffes Makropore, deren Entstehung und Einflüsse im Boden 2.2.1 Zusammenhang zwischen Bodenbearbeitung und dem Vorhandensein von Makroporen 2.2.2 Einfluss der Makroporen auf den Wasserfluss und die Infiltration 2.3 Ansätze zur Modellierung des Makroporenflusses 2.3.1 Dual-Porositäts-Modelle 2.3.2 Einfache empirische Schätzverfahren 3 Material und Methoden 3.1 Standorte 3.2 Geländeversuche 3.2.1 Erfassung bodenphysikalischer Parameter 3.2.2 Ermittlung der hydraulischen Leitfähigkeit 3.2.2.1 Haubeninfiltrometermessungen 3.2.2.2 Beregnungsversuche 3.2.3 Erfassung des Makroporensystems 3.3 Säulenversuche 3.3.1 Vorversuche 3.3.2 Experimente mit L. terrestris 3.3.3 Experimente mit künstlichen Makroporen 3.3.4 Experimente ohne Makroporen 3.4 Ableitung des Modellparameters Skinfaktor 4 Ergebnisse 4.1 Ergebnisse der Geländeversuche am Standort Lüttewitz 4.1.1 Bodenphysikalische Parameter 4.1.2 Beregnungsexperimente 4.1.3 Hydraulische Leitfähigkeit 4.1.4 Makroporensystem 4.1.5 Auswertung der Tracerversuche am Standort Lüttewitz 4.2 Ergebnisse der Geländeversuche Standort Oberwinkel 4.2.1 Bodenphysikalische Parameter 4.2.2 Beregnungsexperimente 4.2.3 Makroporensystem 4.2.4 Skinfaktorenermittlung 4.3 Ergebnisse aus den Säulenversuchen 4.3.1 Verteilung der Grabgänge 4.3.2 Messung der hydraulischen Leitfähigkeit 5 Interpretation und Diskussion der Ergebnisse 5.1 Experimente im Gelände 5.1.1 Vergleich der kf-Werte aus Haubeninfiltrometermessung und Beregnung 5.2 Auswertung und Interpretation der Ergebnisse aus den Säulenversuchen 5.3 Vergleich Makroporenkennwerte mit bodenhydrologischen Messgrößen 5.4 Vergleich Makroporenkennwerte mit Modellparametern 5.5 Einfluss der Bewirtschaftung 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis

Die im ökologischen Pflanzenbau oftmals durchgeführte Grundbodenbearbeitung mit dem Pflug wird genutzt, um Unkräuter und Krankheitserreger möglichst wirksam zu regulieren, zusätzlich soll die Mineralisierung von Stickstoff im Boden angeregt werden. Eine intensive Bodenbearbeitung mit dem Pflug birgt jedoch ein erhöhtes Risiko der Bodenerosion durch Wind sowie Wasser, zudem wird die Bildung von Bodenverdichtungen im Wurzelbereich der angebauten Kulturpflanze gefördert. Der Einsatz des Pfluges führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch bei den einge-setzten Zugfahrzeugen, zusätzlich steigt der Arbeitszeitbedarf. Der vorliegende Versuch im ökologischen Landbau beschäftige sich mit den Effekten einer reduzierten Bodenbearbeitung mit dem Grubber und Direktsaat im Vergleich zu einer wendenden Bearbeitung mit Pflug auf Ertragsbildung, Unkrautwachstum und Stickstoffflüsse im Fruchtfolgeglied Erbse und Winterweizen. Hierzu erfolgte die Anlage eines Feldversuches am Standort Pinkowitz bei Dresden (Parabraunerde aus Löss, 55 Bodenpunkte) in einer 2- (Erbse) bzw. 3-faktoriellen (Weizen) Spaltanlage in den Jahren 2009 und 2010. Die Körnererbse wurde am 19.04.09 bzw. 08.04.10 nach einer Grundbodenbearbeitung mit dem Pflug bzw. Grubber oder in Direktsaat eingesät. Eine Woche später erfolgte die Einsaat einer Untersaat mit Erdklee zur Gründüngung in der Hälfte der Parzellen. Am 26.10.09 bzw. 23.10.10 wurde Winterweizen analog zu den Saatsystemen zur Körnererbse (Pflug/Grubber/Direktsaat), jedoch im 90 Grad Winkel versetzt zur Einsaat der Erbse, eingesät. In einem Teilversuch wurde mittels 15N-Isotopenanreicherung von Erdklee-sprossmasse die Verfügbarkeit des Stickstoffes aus der Sprossmasse des Erdklees im Winterweizen quantifiziert. Ziel der Versuche war es die Effekte des Anbaus von Erbsen und Weizen bei konservierender Bodenbearbeitung im ökologischen Pflanzenbau im Vergleich zu einer intensiven Bodenbearbeitung zu identifizieren und daraus Strategien für einen verstärkten Einsatz von reduzierter Bodenbearbeitung und Direktsaat abzuleiten.   Es erfolgte die Erhebung der Sprosstrockenmasse von Erbse, Erdklee und Unkraut zu BBCH 20, 65 und 89, sowie vor der Saat des Weizens. Die Sprossmasse des Weizens und des Unkrautes erfolgte zu den BBCH-Stadien 39, 59 und 89 des Weizens. Zusätzlich wurden in beiden Kulturen zur Druschreife eine Beerntung per Hand und ein Kernparzellendrusch durchgeführt. Zeitnah zur Entnahme von Pflanzenproben fand eine Entnahme von Bodenproben zur Bestimmung des Nmin-Vorrates im Boden statt. Zudem erfolgten Erhebungen zur Bodentemperatur, der Lagerungsdichte des Bodens im Saathorizont und der Bodenfeuchte. Aus den gewonnenen Daten konnten mehrere Indizes und Kennzahlen zur Ertragsbildung und Stickstoffversorgung der angebauten Kulturpflanzen errechnet werden. Die Ertragsleistung der Körnererbse war nach einer reduzierten Bodenbearbeitung leicht, jedoch nicht signifikant vermindert. Auch eine Einsaat der Erbse in Direktsaat hatte lediglich in einem Versuchsjahr eine signifikante Minderung des Kornertrages zu Folge. Die Keimung des Erbsensaatgutes war nach Einsaat in Direktsaat beeinträchtigt und die Erbse konnte diesen verminderten Feldaufgang nicht kompensieren. Die verringerte Fähigkeit der Erbse zur Kompensation geringer Feldaufgänge wurde durch eine hohe Unkrautsprossmasse, einen geringen Stickstoffversorgungsindex der Erbse zur Blüte sowie einer hohen Lagerungsdichte des Bodens außerhalb des Säschlitzes verursacht. Um auch unter Direktsaat-bedingungen höhere Kornerträge zu erzielen müssen die genauen Ursachen für den geringen Feldaufgang ermittelt werden, da sich im vorliegenden lediglich Anhaltspunkte wie eine ungenaue Saatgutablege und ein verstärktes Auftreten von Pflanzenkrankheiten dafür ergeben haben. Die Folgekultur Winterweizen war nach einer Saat in Direktsaat im Vergleich zu Pflug und Grubber in der Ertragsbildung massiv beeinträchtigt. Wurde die Vorfrucht Erbse in Direktsaat gesät, zeigte sich ein leicht negativer Effekt auf den Kornertrag des Weizens unabhängig davon, ob die Folgefrucht Weizen nach einer Bodenbearbeitung mit Pflug und Grubber oder in Direktsaat gesät wurde. Eine einmalige Anwendung von Direktsaat bei Erbse war im vorliegenden Versuch auch unter den Bedingungen des ökologischen Landbaus gut möglich, die Ertragsrückgang betrug 13,3 % in 2009 bzw. 26,2 % in 2010. Die Untersaat Erdklee reduzierte das Wachstum des Unkrautes in allen Varianten der Bodenbearbeitung und konkurrenzierte die Deckfrucht lediglich schwach, so dass in 2009 eine Minderung des Kornertrages um 1,1 dt ha-1 in 2010 um 4,6 dt ha-1 verzeichnet wurde. Die Beurteilung der Umsetzungsprozesse des Stickstoffes aus der Erdkleesprossmasse mittels 15N-Spurenanreicherung von Winterweizen über das Aufbringen von angereichertem Erdkleesprossmaterial war in jeder Variante der Bodenbearbeitung sicher möglich. Die Aufnahme von Stickstoff aus der Erdklee-sprossmasse durch den Winterweizen ging mit Rücknahme der Bodenbearbeitungs-intensität zurück, so stammten zur Abreife des Weizens nach einer Pflugsaat 13,0 % des Stickstoffes im Spross des Weizens aus der Sprossmasse des Erdklees, nach Grubber bzw. Direktsaat betrug dieser Anteil 8,6 % bzw. 8,5 %. Die Mineralisierung des Stickstoffes aus der Erdkleesprossmasse hielt jedoch nach konservierender Bodenbearbeitung insgesamt nicht lange an, so dass keine Steigerung der Korn-proteingehalte über eine zusätzliche Bereitstellung von Stickstoff während der Kornfüllungsphase erzielt werden konnte.:Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 2 Stand des Wissens 2.1 Effekte verschiedener Intensitäten der Bodenbearbeitung 2.2 Direktsaatversuche im ökologischen Landbau 2.3 Untersaat 2.4 N-Transfer aus der Untersaat in die Folgefrucht 3 Material und Methoden 3.1 Standorteigenschaften und Witterung 3.2 Versuchsaufbau 3.3 Probennahme und Probenaufarbeitung 3.4 Statistische Analysen 4 Ergebnisse 4.1 Zwischenfrucht 4.2 Erbse 4.2.1 Auflaufen der Erbse 4.2.2 Bestandsentwicklung und Kornertrag der Erbse 4.2.3 Harvest-Indizes und Stickstoffakkumulation 4.2.4 N-Aufnahme der Sommergerste 4.3 Winterweizen 4.3.1 Etablierung des Winterweizens 4.3.2 Bestandsentwicklung und Kornertrag des Winterweizens 4.3.3 Harvest-Indizes und Kornproteingehalt des Winterweizens 4.3.4 Nmin unter Winterweizen 4.4 Stickstoffaufnahme des Weizens aus 15N-markiertem Erdklee 5 Diskussion 5.1 Ertragsleistung Erbse 5.2 Ertragsleistung Winterweizen 5.3 Legume Untersaat Erdklee 5.4 15N-Anreicherung 6 Zusammenfassung 7 Literaturverzeichnis 8. Anhang Versicherung