Klimawandel und Bodendegradation üben Druck auf die Nahrungsmittelproduktion sowie auf die Fähigkeit des Bodens zur Minderung des Klimawandels beizutragen aus. Bodendegradation hat negative Auswirkungen auf die Bodenqualität. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Effekte von landwirtschaftlich getriebener Bodendegradation, vor allem durch Pflügen und dem Umgang mit Ernterückständen. Es wird ein Überblick über das Thema Bodendegradation gegeben, gefolgt von Erweiterung des globalen Ökosystemmodells Lund-Potsdam-Jena-managed-Land (LPJmL) um eine detaillierte Prozessabbildung von Pflugpraktiken und Effekten von Ernterückständen. Diese ermöglicht die Analyse der Effekten von landwirtschaftlichen Managements auf die Anpassung und Minderung des Klimawandel. Das Modell kann die Effekte von naturerhaltender landwirtschaftlicher Bewirtschaftung (im Englischen bekannt als Conservation Agriculture) auf Kohlenstoffvorräte im Boden und CO2 Emissionen simulieren. Im letzten Teil wird die historische Dynamik der Entwicklung von Bodenkohlenstoff (engl.: Soil Organic Carbon – SOC) und die Effekte von Annahmen zum zukünftigen Management unter unterschiedlichen Klimaszenarien gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die historische Umwandlung von natürlicher Vegetation zu landwirtschaftlicher Fläche bis zu 215 Pg SOC im Boden verloren gegangen sind. Bis zum Ende des Jahrhunderts könnten weitere 38 Pg SOC zusätzlich verloren gehen, wird die heutige landwirtschaftliche Fläche nicht nachhaltig bewirtschaften. Die Bewirtschaftung mit dem Pflug zeigt einen geringen Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte des Bodens, während die Wahl der Behandlung von Ernterückständen erheblich Einfluss hat. Die Rückführung von Ernterückständen hat positive Einflüsse auf Bodenwassergehalt und Ernteproduktivität, mit regionalen Unterschieden. Insgesamt zeigen 46% der heute Landwirtschaftsfläche das Potenzial zur Steigerung des Bodenkohlenstoff, während mindestens 52% Kohlenstoff im Boden verlieren könnten. / Climate change and increasing soil degradation put pressure on the global food production systems and the ability of land for climate change mitigation. Additionally, soil degradation has negative implications on soil quality. This thesis analyzes the effects of agricultural-driven global soil degradation, in particular tillage and residue management. At first, a review the state of knowledge on global soil degradation is provided. Soil organic carbon (SOC) decline is one of the major forms of soil degradation on cropland and a useful indicator of the status of soil degradation. Secondly, to study the effects of different pathways of agricultural management on biophysical and biogeochemical flows, the global ecosystem model Lund-Potsdam-Jena managed Land (LPJmL) is extended by a detailed representation of tillage practices and residue management. This improvement of LPJmL allows for the analysis of management-related effects on agricultural mitigation of climate change adaption and the reduction of environmental impacts. The model can simulate the effects of conservation practices on SOC stocks and CO2 emissions. And third, SOC development and the effects of different management assumptions under climate change is analyzed. This shows that approximately 215 Pg SOC was lost due to the historical conversion of natural land to cropland and up to 38 Pg SOC could be additionally lost on already existing cropland until the end of the century if cropland is not managed sustainably. The type of tillage system has small effects on the SOC stocks, while the choice of crop residue treatment is shown to be the main driver governing SOC development. Returning residues to the soil slows the decline of SOC, and positively affects soil moisture and crop productivity, with regional differences. In total, up to 46% of todays’ cropland shows the potential for SOC increase, while at least 52% of cropland today will undergo further SOC loss as a form of soil degradation.

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen verschiedener Bodennutzungssysteme auf ausgewählte physiko-chemische Bodeneigenschaften und pflanzenbauliche Parameter auf sandigen Böden auf den Dauerfeldversuchsflächen in Berlin-Dahlem und Dedelow zu untersuchen. Ein erster Arbeitsschwerpunkt am Standort Berlin-Dahlem bestand darin, die Wirkungen verschiedener Bodenbearbeitungstiefen (17 cm und 28 cm) in Abhängigkeit der drei Faktorstufen - mit und ohne Kalkdüngung, mit und ohne Stallmistdüngung, flache und tiefe Bodenbearbeitung - zu ermitteln. Im zweiten Arbeitsschwerpunkt wurden in einer fünffeldrigen Fruchtfolge am Standort Dedelow Vergleiche verschiedener Verfahren der konventionellen und konservierenden Bodenbearbeitung und deren Effekte untersucht. Die Durchdringungswiderstandmessungen in Berlin-Dahlem zeigten nach langjähriger Bodenbearbeitung höhere Bodenfestigkeitswerte in der tieferen Bodenbearbeitungsvariante als in der flachen Variante. Die wasserstabilen Aggregate in Berlin-Dahlem wiesen in der flachen Bodenbearbeitung höhere Werte auf. Die ermittelten Wasserspeicherkurven in Berlin-Dahlem zeigten in der flachen Bodenbearbeitungsvariante für die ausgewählten Parzellen in 10-15 cm Bodentiefe im Vergleich zu der tieferen Variante tendenziell höhere nutzbare Feldkapazitätswerte. In Dedelow zeigten die Wasserretentionskurven unter verschiedenen Bodenbearbeitungsverfahren unregelmäßige Streuungen auf. Die höchsten Gesamtkohlenstoffgehaltswerte wurden in der flachen Bodenbearbeitung unter dem Prüfglied „mit Kalk- und mit Stallmist“ gedüngten Parzellen erzielt. In Dedelow zeigten die Gesamtkohlenstoffgehalte zwischen konservierender und konventioneller Bodenbearbeitung in 10-15 cm Bodentiefe kaum Unterschiede. Der Einfluss von Düngung und Bodenbearbeitungstiefen auf den Kornertrag bei Hafer war mit einem Ertrag von 29,2 dt ha-1 am stärksten am Standort Dedelow in der tiefen Bodenbearbeitung unter dem Prüfglied „mit Kalk- und ohne Stallmistdüngung“. / On the basis of various long-term field trials it was the goal to investigate the influence of different tillage systems on soil physical, soil chemical and crop parameters on sandy loamy locations in Berlin-Dahlem and Dedelow. The first focus of the work in Berlin-Dahlem was to investigate the effects between different tillage depths (17 cm and 28 cm) and the selected factors “with and without liming”, “with and without manure fertilization” and “shallow and deep tillage”. The second focus was on a five-field crop rotation site in Dedelow to compare different methods of conventional and conservation tillage and their effects. The penetration resistance values in Berlin-Dahlem showed after long-time tillage in the deep soil tillage system higher compactions compared to shallow tillage systems. The soil aggregate stability values in Berlin-Dahlem showed in the shallow tillage higher values. The obtained soil water retention curves in Berlin-Dahlem showed an increase of the available water capacity for the selected plots in the shallow soil tillage system compared to the deep tillage system in the 10 - 15 cm soil depth. The soil water retention curves showed irregular variations under the different tillage systems in Dedelow. The highest total carbon content were observed in the shallow tillage system in the "with lime and with farmyard manure" treatments. In general, however, the total carbon content predominate nearly the same amounts in 10 - 15 cm soil depth in both conservation and conventional tillage systems in Dedelow. The influence of fertilization and tillage depth on grain yield in oats showed the maximum value as 29,2 dt ha-1 in the deep tillage system in the "with lime and without farmyard manure" treatments.