Projekt 07420/01

Entwicklung eines Beratungskonzeptes zur Minimierung des Nitrateintrages in Wasserschutzgebieten mit Hilfe des Modellbaukastens Expert-N

Projektdurchführung

AGROLAB GmbH
Kirchstr. 2
85416 Langenbach

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines übertragbares Verfahren zur Betreuung von Wasserschutzgebieten, das in der Praxis genutzt werden kann. Durch die kombinierte Anwendung von Analytik und Computersimulation auf sogenannten Indikatorschlägen, deren Standorteigenschaften repräsentativ für eine Vielzahl von Flächen innerhalb des betrachteten Wasserschutzgebietes sind, können Beratungsstrategien entwickelt und Düngerempfehlungen berechnet werden. Ziel dieser Strategien ist die Reduzierung des Nitratinputs in das Grundwasser.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine wesentliche Aufgabe dieses Projektes war es, das vorhandene Programmpaket EXPERT-N so umzustrukturieren, daß es für die Simulation einer großen Anzahl von Einzelschlägen verwendet werden kann. Dazu mußte eine neue Datenbankstruktur erschaffen werden, die als Schnittstelle zwischen Anwender und dem Programm EXPERT-N fungiert. Das Programm und die Datenbank mußten dahingehend verändert werden, daß das Einlesen und die Simulation großer Datenmengen möglich wird und daß eine graphische Ausgabe auch über ein GIS-Programm erfolgen kann. Für den Einsatz zur Wasse-schutzgebietsberatung waren Modifikationen in folgenden Programmbereichen erforderlich: Datenmanagement, Programmsteuerung, Erweiterung der Funktionsbibliothek und Visualisierung der Simulationsergebnisse. Zum Einsatz von EXPERT-N wurde ein Wasserschutzgebiet in Neuwied herangezogen. Verteilt über das Wasserschutzgebiet wurden ca. 20 sogenannte Indikatorschläge eingerichtet, die zur Charakterisierung des gesamten Wasserschutzgebietes dienten. Die Auswahl dieser sogenannten Indikatorschläge erfolgte nach folgenden Kriterien: Geographische Lage, Erfassung aller wichtigen Bodenty-pen, Erfassung aller größeren Betriebe. Auf diesen Indikatorschlägen wurden die bodenphysikalischen Untersuchungen durchgeführt und monatlich Nmin-Proben gezogen, um EXPERT-N zu kalibrieren. Alle anderen Schläge (ca. 500 Stück) wurden zur Simulation für die Erstellung einer flächendeckenden Düngeempfehlung einem dieser Bodentypen zugeordnet. Weiterhin wurde eine Wetterstation mittem im Wasserschutzgebiet eingerichtet, über die die Tageswerte der wichtigsten klimatischen Kenngrößen erfaßt wurden.


Ergebnisse und Diskussion

Aus Sicht des Anwenders hat sich Expert-N als ein geeignetes Instrument erwiesen, eine Vielzahl von Schlägen z.B. im Rahmen eines Wasserschutzprojektes zu simulieren. Die Dateneingabe mit Hilfe der neu entwickelten Datenbank ermöglicht die Eingabe von Bewirtschaftungsdaten auch für Personen, die nicht mit dem Programm vertraut sind. Eine wichtige Hilfsgröße stellt der Import von Wetter- und Meßdaten dar. Der Zeitaufwand für die Dateneingabe kann, gerade wenn mehrere Wetterstationen berück-sichtigt werden müssen, wesentlich reduziert werden. Als Voraussetzung für die Abarbeitung einer Vielzahl von Schlägen ist die Möglichkeit geschaffen worden, eine Vielzahl von Simulationsschlägen in Projekten zusammenzufassen. Einzelne Betriebe oder aber auch das ganze Wasserschutzgebiet können in ein Projekt zusammengefaßt und anschließend mit Hilfe von ArcView visualisert werden.
Mit Hilfe von EXPERT-N konnten den Landwirten im Wasserschutzgebiet der Unterschied verschiedener Fruchtarten und eine falsche Bewirtschaftung einer Zwischenfrucht im Hinblick auf den Wasserschutz, d.h. auf die Verlagerung von Nitrat unterhalb von 90 cm Bodentiefe demonstriert und erklärt werden. Auch konnten verschiedene Zeiträume, in denen die Gefahr einer Nitrat-Auswaschung am größten ist, festgelegt werden.
EXPERT-N konnte erfolgreich zur Berechnung der Frühjahrsgehalte von Nitrat und damit zur Berechnung der Düngeempfehlung im Wasserschutzgebiet verwendet werden. Annähernd die Hälfte der Fläche des Wasserschutzgebietes wurde mit der Simulation abgedeckt. Der Vorteil der Simulation gegenüber Meßwerten besteht darin, daß das aktuelle Wettergeschehen bis kurz vor Ausgabe der Düngerempfehlung durch die Simulation berücksichtigt werden kann. Es konnte gezeigt werden, daß dadurch die Aktualität der Düngeempfehlung gegenüber der Düngeempfehlung auf Grund von gemessenen Werten zu bevorzugen ist.
In dieser Hinsicht ist anzumerken, daß ein erfolgreicher Einsatz von EXPERT-N entscheidend von der vollständigen und richtigen Datenerfassung für die einzelnen Schläge abhängt. Fehlende oder falsche Fruchtartenangaben (die im Wasserschutzgebiet leider immer wieder vorkommen) oder falsche und fehlende Angaben zur Stickstoffdüngung können die Simulationsergebnisse ad absurdum führen.
Auf folgenden Gebieten halten wir eine Weiterentwicklung der Arbeiten für wünschenswert.
Ein Import von Betriebs- und Bewirtschaftungsdaten in einem festen Datenformat, analog zum Import von Wetter- und Meßdaten erscheint uns als sinnvolle und notwendige Erweiterung. Wenn große Projekte, w.z.B. ein komplettes Wasserschutzgebiet über mehrere Jahre mit Hilfe von EXPERT-N betreut werden sollen, ist die jährlich notwendige Neueingabe wichtiger Daten sehr zeitaufwendig (für das Was-serschutzgebiet Neuwied sind dies Daten für annähernd 600 Schläge). Da die Datenerfassung vor Ort beim Landwirt über z.B. EXCEL-Dateien durch einen Außendienstmitarbeiter erfolgt, müssen diese Daten nochmals von Hand in die EXPERT-N Datenbank eingegeben werden.
Am dringendsten erscheint uns die Weiterentwicklung im Bereich des Pflanzenmodells. Eine Kalibrierung des Pflanzenmodells ist bisher nur für den Winterweizen durchgeführt worden. Bei anderen Fruchtarten bleibt die Unsicherheit bestehen, ob das Wachstum und damit der Nitrat-Entzug aus dem Boden richtig erfasst wird. Verläßliche Daten für die eigentliche Vegetationsperiode von April bis Juli, August sind nur für den Winterweizen zu erwarten. Meßdaten auf den Indikatorschlägen zeigen, daß es in dieser Zeitperiode vor allem nach der Düngung (Mais, Zuckerrüben, Kartoffeln, Sonnenblumen) bei starken Niederschlagsereignissen zu einer Nitrat-Auswaschung kommen kann. Vor allem in Hinblick auf die Beratung wäre es daher wünschenswert, diese Auswaschungsgefahr den Landwirten mit Hilfe der Simulation verdeutlichen zu können.


Fazit

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß das Programmpaket EXPERT-N sinnvoll zur Betreuung und Beratung in einem Wasserschutzgebiet eingesetzt werden kann. Die notwendigen Voraussetzungen hinsichtlich der Datenein- und -ausgabe wurden in diesem Projekt geschaffen. Mit Hilfe von EXPERT-N konnten kritische Fruchtarten und kritische Zeitäume für eine Verlagerung von Nitrat unterhalb der Durchwurzelungsschicht ermittelt werden. Auch wurde EXPERT-N verwendet um für große Teile des Wasserschutzgebietes Düngeempfehlungen zu berechnen. Der Einsatz von EXPERT-N ist eng an eine Person geknüpft, die den Kontakt zu den Landwirten pflegt. Nur in Zusammenarbeit mit den Landwirten und der damit verbundenen vollständigen Datenerfassung ist ein sinnvoller Einsatz von EX-PERT-N möglich.
Wünschenswert wäre eine Weiterentwicklung bzw. Kalibrierung des bestehenden Pflanzenmodells für weitere Kulturpflanzen, um das Einsatzgebiet von EXPERT-N erweitern zu können.