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1 Fachgebiet Umweltchemie, FB Ökologische Agrarwissenschaften, Universität Kassel

Modellierung der Kohlenstoffdynamik in Ackerböden mit dem Rothamsted Carbon Model Bernard Ludwig 1 , Mirjam Helfrich 1, 2 & Heiner Flessa 2. 1 Fachgebiet Umweltchemie, FB Ökologische Agrarwissenschaften, Universität Kassel 2 Institut für Bodenkunde und Waldernährung, Universität Göttingen.

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Presentation Transcript

  1. Modellierung der Kohlenstoffdynamik in Ackerböden mit dem Rothamsted Carbon ModelBernard Ludwig1, Mirjam Helfrich1, 2 & Heiner Flessa2 1Fachgebiet Umweltchemie, FB Ökologische Agrarwissenschaften, Universität Kassel 2Institut für Bodenkunde und Waldernährung, Universität Göttingen

  2. Einleitung (I) Modellierung mit dem Rothamsted Carbon Model • entwickelt 1977 von Jenkinson & Rayner, weiterentwickelt unter Mitarbeit von K. Coleman • einfaches 5-Pool-Modell, aber universell einsetzbar • eingesetzt für viele Langzeitversuche (u.a. Coleman et al. 1997) • Eignung getestet im Vergleich zu mehreren C-Modellen (u.a. Smith et al. 1997) • Ursprüngliche Fragestellungen • u.a. wie genau wird die C-Dynamik beschrieben ? • Neuere Fragestellungen • sind die Pools messbar ? (Falloon et al. 2002; Skjemstad et al. 2004) • Kann die Parametrisierung verbessert werden ? Sind C-Inputs frei wählbar ?

  3. Abbau der Pools DPM, RPM, Cmic und HUM jeweils: Y = Y0 (1 - e- a b c k t) a : Temperatureinfluß, b : Bodenfeuchteeinfluß, c : Vegetationseinfluß, k = Abbaukonstanten k1 - k4, t = Zeit Einleitung (II) Struktur des Rothamsted Carbon Model Zersetzbares Pflanzenma-terial (DPM) Orga-nische Einträge CO2 Mikrobielle Bio- masse (Cmic) Schwer zersetzbares Pflanzenma-terial (RPM) CO2 Humifizierte organische Sub-stanz (HUM) Cmic Inerte organische Substanz (IOM) HUM (Coleman & Jenkinson, 1999)

  4. Einleitung (III) Eingabedaten des Rothamsted Carbon Model • Leicht zu ermittelnde Werte • Klimadaten, Bodenbedeckung, Tongehalt und Bodentiefe • C-Input über Mist und/oder zurückgelassenes Stroh • Unbekannte oder unsichere Werte • unterirdischer C-Input • Menge an inerter organischer Substanz (IOM)

  5. Zielsetzung Überprüfung der Eignung des Rothamsted Carbon Model zur Simulation der C-Dynamik in Ackerböden • Spezielle Fragen • Sind Prognosen (keine adjustierbaren Parameter vorhanden) möglich bei Kalibrierung an Kurzzeitexperimenten ? Wie genau sind Prognosen ? • Gibt es Modifikationsbedarf es für das Rothamsted Carbon Model ?

  6. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (I) Standort: Bad Lauchstädt • Fruchtfolge: Zuckerrübe, Sommergerste, Kartoffeln, Winterweizen in vier Varianten: 0, NPK, Stallmist (30 t ha-1 alle 2 a), Stallmist-NPK • Weitere Varianten: Schwarzbrachen ab 1956 • Bodentyp: Schwarzerde • Textur: 11% Sand, 68% Schluff, 21% Ton

  7. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (II) Unbekannte Größen • Menge an IOM • Black C ? • Falloon-Gleichung: 6.5 t C ha-1 • Körschens-Ansatz: 45.7 t C ha-1 • Franko, CANDY-Modellierung: 59.3 t C ha-1 • Kalibrierung an einer Variante des Bad Lauchstädt-Experimentes • Kurzzeitexperiment • Langzeitexperiment • jährliche Inputs an 2.-5. Zuckerrüben-C, 6.-9. Sommergerste-C, 10.-13. Kartoffel-C & 14.-17. Winterweizen-C

  8. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (III) Modelle 1a & 1b 1. Abschätzung der IOM-Menge aus dem Kurzzeit-Schwarzbrachenexperiment • Vorgehen: • Fließgleichgewicht 1902 (IOM, C-Eintrag) • 1999: 82.0 t C ha-1 (C-Eintrag) • 2004: 74.5 t C ha-1 (Schwarzbrache) -> IOM: 43.8 t C ha-1 C-Einträge bis 1902: 2.2 t C ha-1 a-1

  9. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (IV) Modell 1a 2-17 unabhängige Abschätzungen der C-Einträge über die Erträge aus Regressionsgleichungen experimenteller Untersuchungen (Franko 1997) C-Eintrag = KEWR + FEWR * Ertrag Modell 1b C-Einträge aus Literaturdaten der Ernte- und Wurzelreste (Klimanek 1997) • Mist- & NPK-Variante (2, 6, 10, 14): maximale Werte • Mist-Variante, NPK-Variante (3-4, 7-8, 11-12, 15-16): Mittelwerte • Ungedüngte Variante (5, 9, 13, 17): minimale Werte (Franko 1997)

  10. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (V) Modell 1a: IOM : Kalibrierung am Kurzzeitexperiment C-Einträge: Franko-Regressionsgleichung

  11. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VI) Modell 1b: IOM : Kalibrierung am Kurzzeitexperiment C-Einträge: Literaturdaten aus Klimanek (1997)

  12. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VII) Modelle 2a & 2b 1. Abschätzung der IOM-Menge aus einer Langzeitvariante

  13. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VIII) Modell 2a: IOM : Kalibrierung an Langzeitvariante 3b C-Einträge: Franko-Regressionsgleichung (& * 1.5)

  14. Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (IX) Modell 2b: IOM : Kalibrierung an Langzeitvariante 3b C-Einträge: Literaturdaten aus Klimanek (1997)

  15. Zusammenfassung Prognosen • Güte der Prognosen variierte sehr stark • Kalibrierung • am Kurzzeitexperiment: ungenaue Prognose • am Langzeitexperiment: genauere Prognose • Abschätzungen der C-Einträge sollten nicht als adjustierbare Parameter eingesetzt werden. Fehler der Abschätzungen sind wünschenswert • Analytikprogramm kann evtl. experimentelle Varianten ersetzen • Seltenere Beprobungen mit größeren Wiederholungszahlen erscheinen sinnvoll

  16. Ausblick & Danksagung Potentieller Modifizierungsbedarf des Rothamsted Carbon Model • Kulturspezifische Verhältnisse an leicht zersetzbarer zu schwer zersetzbarer Streu (DPM/RPM) • Aufsplittung des HUM-Pools in zwei Pools – geschütztes C in Mikroaggregaten & schluff- und tongeschütztes C (nach Six et al. 2002) • Einführung einer modifizierenden Konstante für die biotische Ausstattung der Böden • Berücksichtigung einer modifizierenden Konstante für die Bodenkultivierung Danksagung • Finanzierung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im SPP 1090

  17. Modellierung der C-Dynamik in einem sandigen Ackerboden (I) Standort: „Ewiger Roggenbau” in Halle • Roggen (RNPK, R0)- und Mais (MNPK, M0)-Monokulturen seit 1878 bzw. 1961 • Bodentyp: Degradierte Schwarzerde • Textur: 70% Sand, 20% Schluff, 10% Ton • SOC-Vorräte im Ap-Horizont: • MNPK: 4.79 kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 14.8 % • RNPK: 4.94 kg C m-2 • M0: 3.65 kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 9.6 % • R0: 3.83 kg C m-2

  18. Modellierung der C-Dynamik in einem sandigen Ackerboden (II) Unbekannte Größen 1. Menge an IOM, 2. jährlicher Roggen-C-Input, 3. jährlicher Mais-C-Input Modellierung bei Verwendung von 13C-Ergebnissen 1. Abschätzung des Mais-C-Inputs anhand des maisbürtigen SOC-Vorrats = 0.09 kg C m-2 a-1 - Abschätzung aus Ertrag: 0.08 kg C m-2 a-1 (Flessa et al. 2000) 0.11 kg C m-2 a-1 (Franko 1997) 2. und 3. Variation des Roggen-C-Inputs und der Menge an IOM anhand der C3-SOC-Vorräte der Flächen RNPK und MNPK Roggen-C-Input = 0.09 kg C m-2 a-1 - Abschätzung aus Ertrag: 0.08 kg C m-2 a-1 (Franko 1997) IOM = 2.5 kg C m-2 - Abschätzungen: 0.3 (Falloon et al. 1998), 1.3 (Rühlmann, 1999) & 2.1 (Körschens, 1980) kg C m-2

  19. 16 MNPK M0 12 8 C4- C [% des SOC ] 4 0 1970 1980 1990 2000 1960 Jahr Symbole: Gemessene maisbürtige Anteile des SOC; Linien: Modell Modellierung der C-Dynamik in einem sandigen Ackerboden (II) Vergleich modellierter und experimenteller Ergebnisse (Ludwig et al. 2003, Eur. J. Soil Sci.)

  20. Modellierung der C-Dynamik in einem schluffigen Ackerboden (I) Standort: Rotthalmünster • Weizen-Monokultur seit 1969 (WNPK), 1979 Einrichtung einer Mais-Monokultur (MNPK) • Bodentyp: Pseudogley-Parabraunerde, • Textur: 11% Sand, 72% Schluff, 17% Ton • SOC-Vorräte im Ap-Horizont: • MNPK: 5.36 kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 35.1 % • WNPK: 5.38 kg C m-2

  21. Modellierung der C-Dynamik in einem schluffigen Ackerboden (II) Unbekannte Größen 1. Menge an IOM; jährliche Inputs an 2. Gras-C, 3. Weizen-C & 4. Mais-C Modell A (Optimierung der C-Einträge) 1. Abschätzung des Mais-C-Inputs anhand des C4-bürtigen C-Vorrats: 0.41 kg C m-2 a-1 2. und 3. Variation des Gras-C-Inputs (0.41 kg C m-2 a-1) & der Menge an IOM (0.3 kg C m-2) anhand des C3-SOC-Vorrats 1960 und 2002 4. Jährlicher Weizen-C-Input aus unabhängiger Schätzung über Erträge Modell B (unabhängige Abschätzung der C-Einträge) 1. Abschätzung der IOM-Menge anhand der Falloon-Gleichung: 0.5 kg C m-2 2. Abschätzung des Gras-C-Inputs aus dem C-Vorrat 1960: 0.39 kg C m-2 a-1 3. und 4. Abschätzungen des Weizen- (0.08 kg C m-2) und Mais-C-inputs (0.17 kg C m-2) aus den Erträgen plus der Stroheinträge (Weizen: 0.19; Mais: 0.46 kg C m-2 a-1)

  22. Modellierung der C-Dynamik in einem sandigen Ackerboden (II) Vergleich modellierter und experimenteller Ergebnisse (Ludwig et al. 2005, Plant Soil)

  23. Einleitung (I) Modellierung mit dem Rothamsted Carbon Model – früher & heute C-Vorrat (kg m-2) Jahre (Ludwig et al. 2005, Plant Soil) (Coleman et al. 1997, Geoderma)

  24. (Ludwig et al. 2005) (Coleman et al. 1997) Einleitung (IV) Modellierungen mit dem Rothamsted Carbon Model IOM: Falloon-Gleichung, Ergebnisse der stabilen Isotope, „Black C“-Gehalte C inputs: unabhängig abgeschätzt über die Erträge IOM: „… arbitrarily assuming an IOM content of 3.0 t C ha-1“. C inputs: iterative Optimierung

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