1 Einleitung

1.1 Einleitung und Problemstellung

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Auf landwirtschaftlich genutzten Schlägen variieren Pflanzenbestände mitunter sehr stark. Dieses Phänomen findet man häufig auch auf Flächen mit fast identischen Bodeneigenschaften, die einheitlich bewirtschaftet werden. Lokal kann die räumliche Variation der Pflanzenerträge zum einen mit einer Unterversorgung des Bestandes und zum anderen mit unerwünschten Nährstoffverlusten und Austrägen ins Grundwasser einhergehen. Um Nährstoffe, insbesondere Stickstoff (N), bedarfsgerecht innerhalb von Ackerflächen zu verteilen, ist es erforderlich, die räumlichen Prozesse, die der Ertragsbildung zugrunde liegen und ihre zeitliche Dynamik zu kennen. Durch die Berücksichtigung der schlaginternen Variabilität von ertragsbeeinflussenden Faktoren ergibt sich die Möglichkeit einer abgestuften, standortangepassten (teilflächenspezifischen) Bewirtschaftung, die bei der N-Düngung positive Effekte hinsichtlich einer höheren Düngereffizienz erwarten lässt (KERSEBAUM, 1998). Aus Sicht der Landmaschinenindustrie ist mit Einführung von Computertechnik und Globalpositionssystemen (GPS) in der modernen Landwirtschaft das technische Problem, Nährstoffe teilflächenspezifisch (= ortsspezifisch) zu dosieren, im Grundsatz gelöst (LEITHOLD, 2000; DEMMEL, 2002).

Gegenwärtig werden in der Bundesrepublik verschiedene Methoden der Düngerbedarfsermittlung für Stickstoff eingesetzt. Unklar ist jedoch, inwieweit die bislang in der Praxis üblichen Verfahren zur Stickstoffbedarfsermittlung in der Lage sind, mit vertretbarem Aufwand der Standortvariabilität und der N-Dynamik Rechnung zu tragen. Der Nachweis, ob durch teilflächenspezifische N-Dosierung unerwünschte ökologische Schäden durch Nitrataustrag zu vermeiden sind, wie auch die Frage nach dem Einsparungspotential von Düngemitteln bei der Teilflächenbewirtschaftung sind noch nicht hinreichend geklärt.

Um zur Klärung dieser Problematik beitragen zu können, wurde im Jahre 1999 das vom BMBF geförderte Verbundprojekt preagro ins Leben gerufen, dass sich mit der Entwicklung eines Managementsystems für den ortsspezifischen Pflanzenbau beschäftigt. Dieses Projekt soll die technisch-methodischen Voraussetzungen für die Umsetzung des teilflächenspezifischen Landbaus in der Praxis schaffen (WERNER et al., 2002). Ein Schwerpunkt im Projekt preagro stellt die Berechnung der N-Düngungsempfehlung dar, die in dieser Arbeit näher vorgestellt werden soll.

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Aufgrund der komplexen Dynamik von Stickstoff ist eine einfache Nährstoffbilanzierung zur Kalkulation der Stickstoffdüngung nicht möglich. Die räumliche Ertragsvariabilität innerhalb eines Schlages kann in aufeinander folgenden Jahren sehr unterschiedlich ausgeprägt sein (STAFFORD, 1999). So kommt die Ertragskarte des Vorjahres nicht ohne weiteres als Grundlage für die Düngeempfehlung des Folgejahres in Frage. Dies liegt daran, dass die Bestandesentwicklung sehr stark von der gegenwärtigen Witterung beeinflusst wird. Dabei wird ein räumliches Verhalten hervorgerufen, für dessen Beschreibung die eher statischen Bodenkenngrößen (z.B. Textur) nicht eignen (WENDROTH et al., 2002).

Die in der Praxis angewandten Verfahren zur Ermittlung des Stickstoffdüngungsbedarfs lassen sich in drei unterschiedliche Gruppen unterteilen:

  1. Düngeempfehlungen auf der Basis von Bodenuntersuchungen [z.B. mineralischer Stickstoff, kurz Nmin (WEHRMANN & SCHARPF, 1986), Elektro-Ultrafiltration, kurz EUF (FÜRSTENFELD & HETTERICH, 1992)],
  2. Düngeempfehlungen auf der Basis von Pflanzenanalysen (z.B. Nitrat-Schnelltest (WOLLRING & WEHRMANN, 1989), optische Chlorophyll-Messung (WOLLRING, 1996), optische Überfahrsensorik zur Chlorophyllmessung (LEITHOLD, 2000) und
  3. Düngeempfehlungen auf der Basis von Modellrechnungen [Expertensysteme (WENKEL et al., 2001) oder Simulationsmodelle (ENGEL, 1995; KERSEBAUM, 1995; KERSEBAUM & BEBLIK, 2001)].

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Zum Einsatz kommen diese Verfahren sowohl separat wie auch in unterschiedlichen Kombinationen. Da die meisten Verfahren jedoch punktorientiert arbeiten, wird die räumliche Variabilität vor allem wegen des hohen Arbeits- und Kostenaufwands bislang kaum berücksichtigt. Aussichtsreicher als die punktorientierten Verfahren scheint dagegen die Anwendung von optischen Sensoren zu sein. Diese erkennen während der Überfahrt zur N-Düngung anhand der von den Blättern reflektierten Strahlung Mangelzustände und setzen diese in ortsspezifische Steuerimpulse für den Düngerstreuer um (LEITHOLD, 2000). Aber auch dieses optische Verfahren gibt nur einen momentanen Zustand wieder. Im System Boden-Pflanze ist aber durch die Wechselwirkung sehr unterschiedlicher Prozesse von einer sehr schnellen Dynamik des verfügbaren Stickstoffs und wenig stabilen räumlichen Verteilungsmustern auszugehen (KERSEBAUM & LORENZ, 2003). Durch die Kopplung von prozessorientierten Simulationsmodellen mit Geographischen Informationssystemen (GIS) erscheint es möglich, räumlich variable, aber zeitstabile Standorteigenschaften (z.B. Relief, Textur) in eine zeitliche Dynamik zu transferieren und damit die unterschiedlichen saisonalen Gewichtungen einzelner Prozesse sich veränderbarer räumlicher Muster des Mineralstickstoffangebots und des Pflanzenwachstums abzubilden. Mit Hilfe derartig räumlich verteilter Simulationen lassen sich nach entsprechender Validierung standortspezifisch die Wirkung unterschiedlicher Düngungsstrategien auf die Effizienz und den Austrag von Stickstoff vergleichen. Die Erkenntnisse sollen Antworten auf die Frage geben, welche Genauigkeitsanforderungen sind an die Beschreibung der Standorte zu stellen, um eine hinreichend differenzierte Aussage zur Ertragsbildung und zur Nährstoffdynamik zu erreichen.

1.2 Ziel der Arbeit

Das Ziel der Arbeit ist die räumliche und zeitliche Abbildung der N-Dynamik im Boden mittels Modellrechnung mit HERMES. Auf verschiedenen Standorten werden die Auswirkungen der einheitlichen und der ortsspezifischen Düngung hinsichtlich der N-Effizienz und des N-Austrages miteinander verglichen. In einem zweiten Schritt werden die hochauflösenden Datensätze der Rasterbeprobung im Simulationsmodell durch Bodendaten der Reichsbodenschätzung bzw. der digitalen Hofbodenkarte ersetzt, die in deutlich geringerer räumlicher Auflösung vorliegen. Aus den Vergleichen sollen Strategien zur räumlichen und zeitlichen Auflösung von Maßnahmen für die ortsspezifische Düngung abgeleitet werden.

  1. Zeigen die verschiedenen Untersuchungsregionen bei den Standorteigenschaften räumliche Unterschiede?
  2. Lassen sich bestimmte Standorteigenschaften auf den Schlägen durch Unterteilung in ihrer räumlichen Ausbreitung eingrenzen?
  3. Inwieweit lassen sich die flächenhaft vorliegenden Messdaten der elektrischen Leitfähigkeit für die räumliche Verteilung der Tongehalte im Boden nutzen?
  4. Welche Rückschlüsse lassen sich aus den Mustern der Ertragskarten ziehen?
  5. Lassen sich mit dem N-Modell HERMES die Wasser- und Stickstoffdynamik im Boden sowie der Kornertrag für verschiedene Untersuchungsgebiete befriedigend abbilden?
  6. Eignen sich Bodeninformationen aus der Reichsbodenschätzung bzw. der digitalen Hofbodenkarte für die Berechnung der ortsspezifischen N-Düngungsempfehlung?
  7. Bewirkt die ortsspezifische N-Düngung eine Reduzierung der Düngermenge bzw. eine Ertragssteigerung auf den untersuchten Schlägen gegenüber der einheitlichen Düngung?
  8. Ergeben sich durch ortsspezifische N-Düngung ökologische Vorteile, wie Reduzierung der Nitratauswaschung gegenüber der herkömmlichen einheitlichen Düngung?


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30.05.2005