3 Beschreibung des Simulationsmodells HERMES

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Das in dieser Arbeit verwendete Simulationsmodell HERMES stellt eine Modifikation des von KERSEBAUM (1989) beschriebenen Modells zur Stickstoffdynamik in Ackerböden dar. In diesem N-Modell werden basierend auf täglichen Witterungsdaten simultan die Prozesse der Stickstoffmineralisation, der Denitrifikation, des Wasserhaushalts, des Transports von Nitrat im Bodenprofil sowie das Wachstum und die Stickstoffaufnahme durch die Pflanze simuliert (Abb. 3.1). In erster Linie wird das Modell für die Lösung von Managementaufgaben (z.B. zur Berechnung von Düngeempfehlungen oder zur Ermittlung der Nitratauswaschung) benutzt, da es mit relativ wenigen Inputgrößen arbeitet. Weiterführende Modellbeschreibungen zu HERMES sind bei KERSEBAUM (1989, 1993 und 1995), KERSEBAUM & BEBLIK (2001) und KERSEBAUM et al. (2002) zu finden.

Abb. 3.1: Aufbau des N-Modells HERMES (angelehnt an KERSEBAUM, 1989 & 1995)

3.1 Teilmodell Wasserhaushalt

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Für die Beschreibung des Wasserhaushaltes wird ein einfaches Plattenmodell verwendet, das die betrachtete Bodenschicht in 1 dm mächtige Kompartimente aufteilt (Abb. 3.2). Dieser funktionale Ansatz benötigt kürzere Rechenzeiten und hat den Vorteil einer erheblich einfacheren Parameterableitung (ADDISCOTT & WAGENET, 1985).

Die notwendigen Kapazitätsparameter (ΘFK und ΘPWP) für den verwendeten Modellansatz werden entsprechend der KA4 (AG BODEN, 1994) aus der Bodenart (mit entsprechender Lagerungsdichte) unter Berücksichtigung von Zu- bzw. Abschlägen für Grundwasserabstand und Humusgehalt abgeleitet.

Abb. 3.2: Kompartimentmodell einer Bodensäule

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Der tägliche kapillare Aufstieg aus dem Grundwasser wird entsprechend der KA4 (AG BODEN, 1994) in Abhängigkeit vom Abstand zum Grundwasser des jeweiligen untersten Tiefenkompartiments, dessen Wassergehalt 70 % der nutzbaren Feldkapazität (nFK) unterschreitet, berechnet (KERSEBAUM et al., 1993). Unterhalb der definierten Profilmächtigkeit wird unterstellt, dass die Bodenart der letzten Schicht im Profil bis zum Grundwasserspiegel nicht mehr wechselt und für die tieferen Bodenkompartimente steady state Bedingungen gelten.

Notwendig für die Berechnung des Wasserhaushalts ist neben dem täglichen Niederschlag auch das Sättigungsdefizit der Luft um 14 Uhr. Diese wird zur Berechnung der potentiellen Evapotranspiration (ETpot) nach einem einfachen Verfahren von HAUDE (1955) unter Einbeziehung von pflanzenspezifischen Monatsfaktoren (HEGER, 1978) verwendet. Die potentielle Evaporation (Epot) wird aus der potentiellen Evapotranspiration in Abhängigkeit vom Blattflächenindex (BFI) berechnet (GOUDRIAAN, 1977):

 

(3.1)

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Der volumetrische Wassergehalt bei Feldkapazität (ΘFK) gilt als Obergrenze für die Aufsättigung. Eine darüber hinausgehende Infiltration wird als Sickerwasser abgeführt. Als untere Grenze bei Entleerung durch Evaporation werden 30 % des Wassergehaltes beim Permanenten Welkepunkt (PWP) angenommen. Nach VAN KEULEN (1975) entspricht dies in etwa der Austrocknungsgrenze von Böden.

3.2 Beschreibung des Nitrattransports

Die Simulation der Nitratbewegung im Boden erfolgt mit Hilfe der Konvektions-Dispersionsgleichung für instationäre Bedingungen (siehe Kap. 2.2, Gleichung 2.1).

Wie in Kap. 3.1 erwähnt, erfolgt die Berechnung der Wassergehalte und Flüsse als Funktion der Tiefe und der Zeit im Wassermodell. Diese werden zur numerischen Lösung von Gleichung 2.1 nach einem expliziten Finite Differenzen-Verfahren verwendet.

3.3 N-Transformation

3.3.1 Teilmodell N-Mineralisation

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Der Modellteil zur N-Mineralisation folgt dem Konzept der Netto-N-Mineralisation und simuliert die Freisetzung von mineralischem Stickstoff aus zwei unterschiedlich schnell abbaubaren N-Fraktionen (MOLINA et al., 1980; RICHTER et al., 1982; LÜTTICH, 1987).

Danach ergibt sich die in der Zeit (t) mineralisierte Stickstoffmenge (Nmin) aus:

 

(3.2)

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Nslow stellt das Mineralisationspotential einer langsam abbaubaren Stickstofffraktion dar, das von NUSKE (1983) mit ca. 13 % des Gesamtstickstoffs angegeben wird. Dieser N-Pool setzt sich aus dem am Umsatz beteiligten Teil der organischen Bodensubstanz sowie schwer zersetzbaren Pflanzenrückständen (z.B. Stroh) und organischen Festdüngern (z.B. Mist) zusammen. Das Mineralisationspotential der schnell umsetzbaren Stickstofffraktion (Nfast) besteht aus leicht abbaubaren Stickstoffverbindungen (z.B. frische Ernterückstände). Die Abhängigkeit der Mineralisationskoeffizienten (kslow und kfast) von der Temperatur (= Tagesmittel der Lufttemperatur in 2 m Höhe) wird durch zwei Arrhenius-Funktionen (NUSKE, 1983, NORDMEYER & RICHTER, 1985) beschrieben.

Für Nslow gilt:

 

(3.3)

und für Nfast gilt:

 

(3.4)

Bei Temperaturen < 0 °C wird angenommen, dass keine Mineralisation mehr erfolgt (AHRENS, 1985).

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Der Einfluss der Bodenfeuchte auf die Mineralisation wird durch Korrektur der Mineralisationskoeffizienten mit einem von MYERS et al. (1982) abgeleiteten Reduktionsfaktor berücksichtigt. In der folgenden Abbildung sind grafisch der Einfluss der Temperatur (Abb. 3.3, a) und des Wassergehaltes (Abb. 3.3, b) auf die N-Mineralisation dargestellt. Im Modell wird die N-Mineralisation auf die oberen 3 dm des Bodens begrenzt, da der behinderte Gasaustausch unterhalb von 3 dm die biologische Aktivität deutlich einschränkt.

Abb. 3.3: Darstellung der N-Mineralisation in Abhängigkeit von Temperatur (a) und Wassergehalt (b) (nach Angaben von KERSEBAUM, In: SHAFFER et al., 2001)

Die Berechnung des Nslow-Mineralisationspotentials erfolgt im Modell aus dem Gesamtstickstoffgehalt des Bodens. Das Nfast-Potential ergibt sich aus der Höhe der Ernterückstände. Die Menge der Residuen wird mit Hilfe von mittleren Blatt-/Wurzel- bzw. Stroh-/Korn- Verhältnissen und mittleren Stickstoffgehalten (RUHR-STICKSTOFF, 1993) aus der Ertragshöhe der Vorfrucht ermittelt. Bei Abfuhr des Nebenernteguts wird angenommen, dass etwa 15 % als Stoppel- und Wurzel(ernte)rückstände auf dem Acker verbleiben. Weiter wird unterstellt, dass der Anteil der schnell mineralisierbaren N-Fraktion für Getreidestroh gleich 0 ist (VILSMEIER & AMBERGER, 1981; GUTSER & VILSMEIER, 1985). Für Rübenblatt gelten 50 % des Stickstoffgehaltes als leicht abbaubar (NORDMEYER, 1985) und bei Gründüngung sogar 60 % (VILSMEYER & AMBERGER, 1981).

3.3.2 Abschätzung der Stickstoffverluste und -einträge

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Gasförmige Stickstoffverluste werden im wesentlichen durch Denitrifikation und Ammoniak-Entbindung hervorgerufen. Für mineralische und organische Düngemittel werden mittlere Ausbringungsverluste von 15 % des Ammonium- bzw. Harnstoffanteils im Dünger durch das Modell veranschlagt. Die Ausbringungsverluste bei organischen Düngern (z.B. Gülle) können bei verzögerter Einarbeitung, einer Sättigungskurve folgend, in einem Zeitraum von 10 Tagen bis auf 90 % des Ammoniumanteils ansteigen (DÖHLER & ALDAG, 1986; AMBERGER et al. 1987; SALOW, 1996; VANDRÈ, 1997).

Die Denitrifikation wird mit Hilfe eines einfachen Modellansatzes von RICHTER & SÖND-GERATH (unveröffentlicht, zitiert in SCHNEIDER, 1991) berechnet. Die tägliche Denitrifikationrate (Nden) wird für den Oberboden in Abhängigkeit vom Nitratgehalt durch Verwendung einer Michaelis-Menten-Kinetik simuliert, die wiederum abhängig von den Reduktionsfunktionen des wassergefüllten Porenraums (Θr) und der Temperatur (T) ist (Abb. 3.4).

Abb. 3.4: Modifikation der Denitrifikationsrate in Abhängigkeit von Temperatur und wassergefülltem Porenraum

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Das entsprechende Gleichungssystem lautet:

 

 

(3.5)

mit

 

(3.6)

und

 

(3.7)

Die kritischen Werte für Temperatur (Tkrit) und für das wassergefüllte Porenvolumen (Θkrit) liegen bei 15.5 °C bzw. 76.6 cm³/100 cm³ und wurden von SCHNEIDER (1991) übernommen.

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Die atmosphärischen N-Einträge werden im Modell einheitlich mit 30 kg N/ha/a angenommen und gleichmäßig übers Jahr verteilt.

3.4 Beschreibung des Teilmodells Pflanzenwachstum

3.4.1 Trockenmasseproduktion

Das Teilmodell Pflanzenwachstum simuliert auf Basis von Sonneneinstrahlung und Temperatur die tägliche Nettotrockenmassebildung als Resultat von Photosynthese und Atmung. Die Grundlage für diesen einfachen Ansatz bildet das Modell SUCROS von VAN KEULEN et al. (1982). Der Blattflächenindex, der die Schnittstelle zwischen Pflanze und Atmosphäre darstellt, wird unter Verwendung eines konstanten Verhältnisses von Blattfläche zu Blattgewicht von 0.002 ha/kg TM (AASE, 1978) aus dem Blattgewicht berechnet. Die Lichtinterception im Bestand wird in Abhängigkeit vom Blattflächenindex durch ein Gleichungssystem von GOUDRIAAN (1982) beschrieben. Die Aufteilung der assimilierten Kohlenstoffverbindungen auf die unterschiedlichen Pflanzenorgane erfolgt in Abhängigkeit vom Entwicklungsstadium der Pflanze. Die Verteilungskoeffizienten werden aus Angaben von WEIR et al. (1984) und GROOT (1987) abgeleitet.

Zum einen kann Wasserstress aber auch Stickstoffmangel die Trockenmasseproduktion limitieren. Durch einen Reduktionsfaktor, der dem Quotienten aus aktueller und potentieller Transpiration entspricht (GROOT, 1987), wird Wasserstress bei der Photosyntheseleistung berücksichtigt. Von Stickstoffmangel wird gesprochen, wenn der N-Gehalt im oberirdischen Pflanzenteil (Nob) einen kritischen N-Gehalt (Nkrit) unterschreitet. Der kritische N-Gehalt variiert von Pflanzenart zu Pflanzenart und ist abhängig vom jeweiligen Entwicklungsstadium der Pflanze, wie Abb. 3.5 zeigt.

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Abb. 3.5: Darstellung des maximalen und des kritischen N-Gehalts in der oberirdischen Trockenmasse in Abhängigkeit von der phänologischen Entwicklung des Winterweizens (nach Angaben von VIELEMEYER et al. (1983) und RITCHIE et al. (1988), In: KERSEBAUM, 1989)

Das Ausmaß der Wachstumsreduktion wird in Abhängigkeit vom Grad der Unterschreitung des kritischen Wertes abgeschätzt. Ab einem N-Gehalt von ≤ 0.5 % in der oberirdischen Trockenmasse (TM) findet kein Wachstum mehr statt. Berechnet wird der Reduktionsfaktor für die TM-Bildung (Wred) nach:

 

(3.8)

mit

  

 

(3.9)

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Ein Teil des assimilierten Kohlenstoffs wird für die Erhaltungsatmung der Pflanzen benötigt. Bei der verbleibenden Assimilatmenge wird angenommen, dass 30 % für die Wachstumsatmung verbraucht werden (VAN KEULEN et al., 1982).

Im Modell wird neben Wasser- und Stickstoffmangel aber auch zeitweiliger Luftmangel durch Staunässe als Stressfaktor in Anlehnung an SUPIT et al. (1994) berücksichtigt.

3.4.2 Wurzelverteilung

Die Wurzelverteilung bildet die Schnittstelle zwischen Pflanze und Boden. Die Verteilung der Wurzelmasse über die Tiefe wird mit Hilfe eines empirischen Ansatzes (GERWITZ & PAGE, 1974) beschrieben, die die zeitliche Veränderung der Wurzelverteilung in Abhängigkeit von der Temperatursumme ab der Aussaat berücksichtigt (WHITMORE & ADDISCOTT, 1987). Die maximale Durchwurzelungstiefe wird über die Bodenart nach KA4 (AG BODEN, 1994) abgeleitet und begrenzt das Wurzelwachstum in die Tiefe. Bei der Umrechnung auf Wurzelfläche bzw. -länge wird in Anlehnung an BARRACLOUGH (1986) ein TM-Gehalt von 7 %, ein spezifisches Gewicht der Wurzelfrischmasse von 1 g/cm³ und ein

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mittlerer Wurzelradius (rw) von 0.15 mm angenommen. Die Stickstoffaufnahme über die Wurzeln wird im Modell durch eine maximale Aufnahmefähigkeit pro cm Wurzellänge definiert. Für die Zeit bis zur Blüte wird eine maximale Aufnahmefähigkeit von
30*10-14 mol/cm Wurzel/s (BARRACLOUGH, 1986) angenommen, nach der Blüte nimmt die Aufnahmefähigkeit mit zunehmender Entwicklung bis auf 23*10-14 mol/cm Wurzel/s ab.

3.4.3 Stickstoffaufnahme

Dem simulierten N-Bedarf bzw. der maximalen N-Aufnahmerate steht das N-Angebot im Boden gegenüber. Der Nitrat- und der Wassergehalt in den einzelnen Tiefenschichten ergibt sich aus den Simulationen der Unterprogramme. Der Transport an die Wurzel erfolgt entweder durch Diffusion oder durch Konvektion mit dem Transpirationsstrom. Die N-Aufnahme erfolgt ausschließlich in Form von Nitrat. In einem vereinfachten Ansatz wird zunächst die N-Anlieferung durch den Transpirationsstrom (Nmas) berechnet nach:

 

(3.10)

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Reicht die N-Anlieferung durch Konvektion nicht aus, wird zusätzlich der maximal durch Diffusion (Ndif) mögliche Antransport nach einer Gleichung von BALDWIN et al. (1973) bestimmt:

 

(3.11)

wobei ri (= [π*WDi]-0.5) die halbe Distanz zwischen benachbarten Wurzeln bei Annahme einer gleichförmigen Verteilung ist. Damit wird angenommen, dass der Wurzel Nährstoffe aus einem Bodenzylinder mit einem Radius (ri) zur Verfügung stehen. Der maximale Konzentrationsgradient ergibt sich aus der aktuellen Konzentration in der Bodenlösung und einer angenommenen Minimalkonzentration (cmin) an der Wurzeloberfläche von 1 μmol/l (HAGIN et al., 1984). Liegt die maximale Anlieferung unter dem noch zu deckenden Bedarf ist die aktuelle Aufnahe je Kompartiment gleich der maximalen Anlieferung (Nmaxi). Andernfalls wird die Aufnahme zur Deckung des Pflanzenbedarfs entsprechend dem Anteil der Kompartimentdiffusion am gesamten maximalen Diffusionsantransport über die Durchwurzelungstiefe auf die Schichten verteilt.

3.4.4 Pflanzenentwicklung

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Die Pflanzenentwicklung wird im Modell über einen Temperatursummenansatz von WEIR et al. (1984) beschrieben, der den Entwicklungszyklus der Pflanze in mehrere Phasen unterteilt. Um die erste Phase (Keimung) auszulösen, wird eine bestimmte Temperatursumme (Keimtemperatursu m meoderKeimschwelle) bei ausreichender Bodenfeuchte benötigt. Die daran anschließenden Wachstumsphasen beziehen neben der Temperatur auch die Tageslänge und die Erfüllung der Vernalisationsansprüche mit ein. Dieser Ansatz wird mit einem separaten Parameter-File für jede Pflanzenart gekoppelt.

3.5 Zusatztool zur Beschreibung der Sonneneinstrahlung (SRAD)

Die Hauptenergiequelle für alle auf der Erde wachsenden Pflanzen ist die Sonne. Wie schon in Kap. 3.4 erwähnt, spielt die direkte und indirekte Einstrahlung von der Sonne bei der Beschreibung des Pflanzenwachstums eine nicht unbeträchtige Rolle. Im Gelände kann die Summe der eingestrahlten Energie am Punkt durch das Relief bzw. umstehende Gebäude oder Bäume beeinflusst werden (Abb. 3.6; WILSON & GALLANT, 2000; REUTER et al., 2001).

Abb. 3.6: Darstellung der Faktoren, die die potentielle Strahlung beeinflussen

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Je nach Reliefposition verändert sich der Betrag der Abschattung innerhalb eines Jahres und führt zu räumlichen Unterschieden bei Einstrahlung und Temperatur (REUTER et al., 2001). Besonders in stark reliefierten Gebieten (z.B. im Berg- und Hügelland) führt eine zeitweilige Abschattung zur Ertragsminderung. Diese Überlegungen führten GALLANT & WILSON (1996) zur Entwicklung des SRAD-Moduls (Solar Radiation) für das Programmpaket
TapesG.

Um das Modul auf eine bestimmte Region anwenden zu können, benötigt man ein digitales Geländemodell (DGM), um für jeden Geländepunkt seine spezielle Reliefposition berechnen zu können. Dabei hat sich die Aufteilung in quadratische Rasterzellen (sog. Gridzellen) bewährt. Das Modul SRAD nutzt die unbeschattete Gridzelle als Standard. Die Ausgabe der reduzierten Einstrahlung erfolgt in Form von Monatsfaktoren für jede Gridzelle. Über eine Zusatzfunktion im N-Modell HERMES lässt sich das SRAD-Modul jederzeit zu- oder abschalten.


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30.05.2005