Projekt 23384/01

Verbundprojekt: Neue internetgestützte Wege zur Optimierung der StickstoffdüngungTeilprojekt: Wasserhaushalt

Projektdurchführung

Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Ref. Boden- und Grundwassermonitoring
Friedrich-Mißler-Str. 46-50
28211 Bremen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Gesamtprojektes ist die Realisierung von internetbasierten modellgestützten Hinweisen zur Düngeplanung für landwirtschaftliche Nutzer, die mit minimalem Zeit- und Datenaufwand ein umsetzbares Ergebnis liefert - um eine Entlastung der Umwelt von N-Einträgen bzw. -Kontaminationen und eine Verringerung des Energieverbrauchs durch die Landwirtschaft zu erreichen. Da der Bodenwasserhaushalt außer auf die N-Mineralisation auch direkten Einfluss auf Ertragsbildung, N-Düngerwirkung und N-Austrag mit dem Sickerwasser hat, sind zeitlich hoch auflösende Informationen zum Bodenwasserhaushalt wichtig. Für die Simulationsrechnungen sind außerdem Bodenkennwerte wichtige Eingangsgrößen. Aufgabe des Teilprojektes Bodenwasserhaushalt ist es deshalb ein automatisierbares Verfahren zur Bereitstellung von schlagbezogenen, zeitlich hoch auflösenden Informationen zum Bodenwasserhaushalt zu entwickeln und Bodenkennwerte schlagbezogen auf Grundlage der Bodenschätzungsdaten für alle Projektpartner zur Verfügung zu stellen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurden die Bodenkennwerte für die Referenzflächen ermittelt und die Wasserhaushaltsberechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden als Monitoringdaten in ISIP und für die Projektpartner zur Verfügung gestellt. Dazu wurden die Referenzflächen der Projektpartner nach Kartierung und Beprobung in das System eingebunden. Gleichzeit erfolgte aufbauend auf einem laufenden Ein-Speicher-Bodenwasserhaushaltsmodell eine Modellerweiterung und Anpassung an die Fragestellungen des Projektes. Dabei war in Hinblick auf einen späteren flächendeckenden Einsatz in ISIP die Verfügbarkeit der Eingangsdaten zu berücksichtigen. Entwickelt wurde deshalb ein relativ einfaches, auf der Bilanzierung des Bodenwasserhaushaltes beruhendes konzeptionelles Mehrspeichermodell. Die Kalibrierung des Bodenwasserhaushaltsmodells erfolgte anhand der Referenz-flächen des Verbundprojektes. Zur Validierung wurden Bodendauerbeobachtungsflächen mit Lysimetern des LBEG herangezogen. Als Verdunstungsmodell wurde das FAO-Verfahren zur Berechnung der Grasreferenzverdunstung integriert.


Ergebnisse und Diskussion

Bei dem am LBEG entwickelten Bodenwasserhaushaltsmodell handelt es sich um ein Mehrspeichermodell, das eine schlagbezogene tägliche Berechnung des aktuell im Boden gespeicherten Wassers, des pflanzenverfügbaren Bodenwassers sowie der täglichen Sickerwasserrate für zurzeit drei Schichten (0-30 cm, 30-60 cm und 60 -90 cm) ermöglicht. (Die Anzahl der Schichten ist beliebig erweiterbar). Die Schichten im Modell sind als Überlaufspeicher konzipiert. Um die natürlichen Bedingungen besser abbilden zu können wird außerdem berücksichtigt, dass nach starken Niederschlägen eine Übersättigung auftreten kann; außerdem wird unter bestimmten Bedingungen Sickerwasserbildung vor Erreichen der Feldkapazität zu gelassen. Die Berechnung erfolgt unter Berücksichtigung der Bodeneigenschaften des Standortes, des täglichen Niederschlages und der täglichen aktuellen Verdunstung (berechnet aus der täglich abgeleiteten Grasreferenzverdunstung, der Verdunstungsleistung der aktuellen Vegetation und des Bodenwasservorrats zur Berücksichtigung von Trockenstress). Die unterschiedliche Durchwurzelungsintensität der Bodenschichten und die daraus resultierenden Unterschiede bei der Wasserentnahme durch die Pflanzen werden durch eine für das Modell entwickelte Wurzelverteilung berücksichtigt.
Das Modell ist so konzipiert, dass sich die erforderlichen bodenkundlichen Kennwerte aus den Daten der digitalen Bodenschätzung ableiten lassen. Die für die Verdunstungsberechnung erforderlichen Wetterdaten sowie die Niederschläge sind im Messumfang von zahlreichen Wetterstationen enthalten.
Die separate Berechnung des Bodenwasserhaushaltes für verschieden Schichten ist notwendig, weil der Bodenwassergehalt im humosen Oberboden eine wichtige Eingangsgröße zur Berechnung der Nettomineralisation ist. (s. Teilprojekt des Institut für Bodenkunde, Universität Hannover). Aussagen zum Gesamtbodenwasser sind in diesem Zusammenhang nicht nutzbar, da sich der Oberboden durch eine ausgeprägte Dynamik der Wassergehalte auszeichnet.
Das Modell wurde anhand regelmäßiger Messungen der aktuellen Bodenwassergehalte auf den Referenzflächen (Borwede, Höckelheim, Hohenschulen, Holtorfsloh, Poppenburg, Königslutter) (Messungen durch das LBEG und die LWK) kalibriert und an Bodendauerbeobachtungsflächen des LBEG als weitere Vergleichsstandorte (Messungen durch das LBEG) validiert.
Auf Grundlage der simulierten Bodenwassergehalte und Sickerwasserraten können unter Berücksichtigung der Düngung, der am Institut für Pflanzenbau (Uni Kiel) modellierten N-Aufnahme sowie der im Institut für Bodenkunde (Uni Hannover) berechneten Netto-Mineralisation die N-Verluste durch Auswaschung abgeschätzt werden.
Die Berechnungsergebnisse zum Bodenwasserhaushalt und zur N-Auswaschung finden Eingang in die Modelle der anderen Projektpartner. Die N-Auswaschung stellt eine wichtige Grundlage zur Abschätzung des pflanzenverfügbaren Stickstoffs im Boden und damit für die Düngeberatung dar. Der Bodenwassergehalt findet Eingang in die Ermittlung des Pflanzenwachstums und bei der Berechnung der Stickstoffnettomineralisation (s.o.).


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden mehrmals auf verschiedenen Praxisveranstaltungen (Feldtage, Veranstaltungen der Landwirtschaftskammer) vorgestellt und diskutiert. Im letzten Projektjahr wurden die Simulationsergebnisse zum Bodenwasserhaushalt auf den Referenzflächen zusammen mit Mess- und Simulationsdaten der anderen Projektpartner wöchentlich zusammengestellt und interpretiert und im Internet unter www.isip.de veröffentlicht.


Fazit

Am LBEG wurde ein Mehrspeichermodell entwickelt, dass täglich das aktuell im Boden gespeicherte Wasser sowie das pflanzenverfügbare Bodenwasser, die Sickerwasserrate und daran gekoppelt die N-Auswaschung berechnet. Die Ergebnisse des Modells sind wichtige Eingangsgrößen für die Modelle der Projektpartner und liefern wichtige schlagbezogene Hinweise zur N-Düngeplanung.
Seit April 2007 erfolgt die Präsentation der Ergebnisse zusammen mit den innerhalb der anderen Teilprojekte erhobenen Daten wöchentlich in ISIP. Die dort übliche Tabellenform erscheint für unsere umfangreichen Datenreihen jedoch zu unübersichtlich. Vielmehr müsste für einen Online-N-Düngeplanungsdienst ein praxisnäheres neues Konzept erarbeitet werden. Vor Ende dieses Verbundprojektes wurde daher mit denselben Projektpartnern ein neues Verbundprojekt beantragt, in dem es um die praktische Umsetzung eines Internetdienstes zur nutzungs- und schlagspezifischen N-Düngeplanung in ISIP geht. Um ein möglichst praxisnahes Konzept zu erarbeiten, werden sowohl Pilot-betriebe als auch Berater der Landwirtschaftskammer in das Projekt eingebunden. So wird sichergestellt, dass sich die Interpretation und Darstellung der Modellergebnisse am praktischen Bedarf orientieren.