Parametrisierung der Stickstoffmineralisation in Sandböden - Voraussetzung für den effektiveren regionalen Einsatz von Simulationsmodellen in der grundwasserschutz-orientierten landwirtschaftlichen Beratung

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Sabine Heumann

Untertitel:

Vorraussetzung für den effektiveren regionalen Einsatz von Simulationsmodellen in der grundwasserschutz-orientierten landwirtschaftlichen Beratung

Kurzfassung:

Für die Optimierung des Grundwasserschutzes in Trinkwassergewinnungsgebieten ist es entscheidend, die Vorhersage der Stickstoff (N)-Nettomineralisation mit Hilfe von Simulationsmodellen zu verbessern. N-Dünger könnten effizienter eingesetzt werden, wenn Düngeempfehlungen die N-Freisetzung aus organischer Substanz (OS) im Boden einbeziehen würden. Simulationsmodelle könnten auch hilfreich sein, um Trinkwasserschutzmaßnahmen genauer zu beurteilen. Außerdem könnten die N-Mineralisationsparameter der ‘alten‘, weitgehend humifizierten OS als Maßzahl ‘N-Mineralisationspotential‘ geeignet sein. Das ‘Fuhrberger Feld’, Niedersachsens größtes Trinkwassergewinnungsgebiet, bietet eine Vielzahl von charakteristischen Bodentypen (Podsole, Gleye, Braunerden) und früheren Landnutzungen auf NW-deutschen sandigen Ackerböden mit hohem Auswaschungsrisiko. Wegen ausgedehnter Landnutzungsänderungen (Grünland, Wald, Heide) liegen die Gehalte an OS meistens weit über denen von Böden, die im Gleichgewicht mit der aktuellen Nutzung sind. Ziel dieser Untersuchung war die Anpassung der Mineralisationsparameter einer doppelt-exponentiellen Freisetzungsgleichung wie in den Modellen HERMES und MINERVA an sandige Ackerböden. Dieses war notwendig, weil deren Standard- Poolgrößen, Reaktionskoeffizienten und Temperaturfunktionen hauptsächlich an norddeutschen Lössböden (zumeist Altäcker) bestimmt wurden. Die Mineralisationsparameter zweier organischer N-Pools wurden mittels Langzeit-Laborinkubationen (> 200 Tage; 35°C) an 147 NW-deutschen sandigen Ackerböden und 8 Referenz-Lössböden bestimmt. An die Kurven der kumulativen N-Nettomineralisation wurde die Freisetzungsgleichung mit zwei Pools erster Ordnung angepasst, um zwischen N-Mineralisation aus schnell mineralisierbarer, frischer OS (Nfast) und langsam mineralisierbarer OS (Nslow) in alter, weitgehend humifizierter OS zu unterscheiden. Temperaturfunktionen für die Koeffizienten kfast und kslow wurden mittels Inkubationen von 7 sandigen Ackerböden und einem Referenz-Lössboden bei 3, 10, 19, 28 und 35°C bestimmt und anhand von Vergleichen mit Messungen der Freilandmineralisation in ungestörten Bodensäulen evaluiert. Daten über frühere Landnutzungen und Bodentypen aus topografischen, historischen und Bodenkarten wurden benutzt, um spezielle Pedotransferfunktionen (PTFs) für die Poolgröße Nslow zu ermitteln. In den Sandböden sind zwei Pools klar zu erkennen, und meistens konnte die Mineralisationsgleichung angepasst werden, obwohl die Kurvenverläufe oft etwas vom typischen Verlauf abweichen. Die ‘Standard‘-Modellparameter sind für Sandböden nicht geeignet - außer evtl. Poolgröße Nfast, die im Modell anhand von Ernterückständen und organischer Düngung ermittelt wird. Die zwei Reaktionskoeffizienten zeigen sehr unterschiedliche Temperaturfunktionen, die beide stark von den Löss-Arrheniusfunktionen abweichen, aber die Körnung hatte keinen einheitlichen Einfluss. Grund ist eher die unterschiedliche Qualität der OS. Nur komplexe, multiple Gleichungen konnten die Verläufe nachzeichnen, während Arrhenius- und Q10- Funktionen in kritischen Temperaturbereichen (< 5/10°C; > 30/35°C) nicht paßten. Die Referenz-Lössböden bestätigten die Mineralisationsparameter und Temperaturfunktionen der Modelle. Die multiplen Temperaturfunktionen konnten anhand von Freilandinkubationen über Winter validiert werden. Kleinste Abweichungen können große Unterschiede in der simulierten N-Mineralisation bewirken. Unter 10°C überschätzt die Standard-Funktion der Modelle kslow um den Faktor 2. Trotzdem trägt Pool Nslow bedeutend zur N-Nettomineralisation über Winter bei, z.T. reicht es fast aus (21 kg N ha-1), um den EU-Trinkwassergrenzwert für Nitrat zu erreichen. Poolgröße Nslow hängt sehr stark vom Bodentyp und der früheren Landnutzung ab, durch stabilisierende Einflüsse der Podsolierung und früherer Wald- oder Heidenutzung bzw. durch Anreicherung von leicht abbaubarer OS in früherem Grünland. Nslow kann bei Gruppierung nach früherer Landnutzung sehr genau aus ein oder zwei Bodeneigenschaften (z.B. Corg, Ntot, C/N, Fraktion < 20 µm) abgeleitet werden. So kann auf der Basis von Nslow-Werten aus PTFs die winterliche Mineralisation aus Nslow angemessen simuliert werden. Jedoch sind weder N noch C in der leichten Fraktion geeignet um Poolgröße Nslow abzuleiten. Die neuen Parameter und Temperaturfunktionen sind detaillierter als die Standardwerte, aber immer noch relativ einfach in der Anwendung. Es erscheint notwendig, ihre Integration in ein Simulationsmodell zu testen und Wechselwirkungen mit dem Wassergehalt sowie die Ableitung von Poolgröße Nfast für unterschiedliche Ernterückstände zu untersuchen.

Förderzeitraum:
01.01.1999 - 31.12.2001

Institut:
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

Institut für Bodenkunde

Betreuer:
Prof. Dr. Jürgen Böttcher

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Parametrisierung der Stickstoffmineralisation in Sandböden - Voraussetzung für den effektiveren regi
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