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Modellierung der Kohlenstoffdynamik in Ackerböden mit dem Rothamsted Carbon Model Bernard Ludwig 1, Mirjam Helfrich 1, 2 & Heiner Flessa 2 1 Fachgebiet.

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1 Modellierung der Kohlenstoffdynamik in Ackerböden mit dem Rothamsted Carbon Model Bernard Ludwig 1, Mirjam Helfrich 1, 2 & Heiner Flessa 2 1 Fachgebiet Umweltchemie, FB Ökologische Agrarwissenschaften, Universität Kassel 2 Institut für Bodenkunde und Waldernährung, Universität Göttingen

2 Einleitung (I) Modellierung mit dem Rothamsted Carbon Model entwickelt 1977 von Jenkinson & Rayner, weiterentwickelt unter Mitarbeit von K. Coleman einfaches 5-Pool-Modell, aber universell einsetzbar –eingesetzt für viele Langzeitversuche (u.a. Coleman et al. 1997) –Eignung getestet im Vergleich zu mehreren C-Modellen (u.a. Smith et al. 1997) Ursprüngliche Fragestellungen –u.a. wie genau wird die C-Dynamik beschrieben ? Neuere Fragestellungen –sind die Pools messbar ? (Falloon et al. 2002; Skjemstad et al. 2004) –Kann die Parametrisierung verbessert werden ? Sind C-Inputs frei wählbar ?

3 Einleitung (II) Struktur des Rothamsted Carbon Model Orga- nische Einträge Zersetzbares Pflanzenma- terial (DPM) Schwer zersetzbares Pflanzenma- terial (RPM) Inerte organische Substanz (IOM) Humifizierte organische Sub- stanz (HUM) Mikrobielle Bio- masse (Cmic) CO 2 HUM Cmic CO 2 (Coleman & Jenkinson, 1999) Abbau der Pools DPM, RPM, Cmic und HUM jeweils: Y = Y 0 (1 - e - k t ) : Temperatureinfluß, : Bodenfeuchteeinfluß, : Vegetationseinfluß, k = Abbaukonstanten k 1 - k 4, t = Zeit

4 Einleitung (III) Eingabedaten des Rothamsted Carbon Model Leicht zu ermittelnde Werte – Klimadaten, Bodenbedeckung, Tongehalt und Bodentiefe – C-Input über Mist und/oder zurückgelassenes Stroh Unbekannte oder unsichere Werte – unterirdischer C-Input – Menge an inerter organischer Substanz (IOM)

5 Zielsetzung Überprüfung der Eignung des Rothamsted Carbon Model zur Simulation der C-Dynamik in Ackerböden Spezielle Fragen –Sind Prognosen (keine adjustierbaren Parameter vorhanden) möglich bei Kalibrierung an Kurzzeitexperimenten ? Wie genau sind Prognosen ? –Gibt es Modifikationsbedarf es für das Rothamsted Carbon Model ?

6 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (I) Standort: Bad Lauchstädt Fruchtfolge: Zuckerrübe, Sommergerste, Kartoffeln, Winterweizen in vier Varianten: 0, NPK, Stallmist (30 t ha -1 alle 2 a), Stallmist-NPK Weitere Varianten: Schwarzbrachen ab 1956 Bodentyp: Schwarzerde Textur: 11% Sand, 68% Schluff, 21% Ton

7 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (II) Unbekannte Größen 1.Menge an IOM 1.Black C ? 2.Falloon-Gleichung: 6.5 t C ha -1 3.Körschens-Ansatz: 45.7 t C ha -1 4.Franko, CANDY-Modellierung: 59.3 t C ha -1 5.Kalibrierung an einer Variante des Bad Lauchstädt-Experimentes Kurzzeitexperiment Langzeitexperiment 2.jährliche Inputs an Zuckerrüben-C, Sommergerste-C, Kartoffel-C & Winterweizen-C

8 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (III) Modelle 1a & 1b 1. Abschätzung der IOM-Menge aus dem Kurzzeit-Schwarzbrachenexperiment Vorgehen: Fließgleichgewicht 1902 (IOM, C-Eintrag) 1999: 82.0 t C ha -1 (C-Eintrag) 2004: 74.5 t C ha -1 (Schwarzbrache) -> IOM: 43.8 t C ha -1 C-Einträge bis 1902: 2.2 t C ha -1 a -1

9 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (IV) Modell 1a 2-17 unabhängige Abschätzungen der C-Einträge über die Erträge aus Regressionsgleichungen experimenteller Untersuchungen (Franko 1997) C-Eintrag = K EWR + F EWR * Ertrag Modell 1b C-Einträge aus Literaturdaten der Ernte- und Wurzelreste (Klimanek 1997) Mist- & NPK-Variante (2, 6, 10, 14): maximale Werte Mist-Variante, NPK-Variante (3-4, 7-8, 11-12, 15-16): Mittelwerte Ungedüngte Variante (5, 9, 13, 17): minimale Werte (Franko 1997)

10 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (V) Modell 1a: IOM : Kalibrierung am Kurzzeitexperiment C-Einträge: Franko-Regressionsgleichung

11 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VI) Modell 1b: IOM : Kalibrierung am Kurzzeitexperiment C-Einträge: Literaturdaten aus Klimanek (1997)

12 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VII) Modelle 2a & 2b 1. Abschätzung der IOM-Menge aus einer Langzeitvariante

13 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VIII) Modell 2a: IOM : Kalibrierung an Langzeitvariante 3b C-Einträge: Franko-Regressionsgleichung (& * 1.5)

14 Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (IX) Modell 2b: IOM : Kalibrierung an Langzeitvariante 3b C-Einträge: Literaturdaten aus Klimanek (1997)

15 Zusammenfassung Prognosen Güte der Prognosen variierte sehr stark –Kalibrierung am Kurzzeitexperiment: ungenaue Prognose am Langzeitexperiment: genauere Prognose Abschätzungen der C-Einträge sollten nicht als adjustierbare Parameter eingesetzt werden. Fehler der Abschätzungen sind wünschenswert Analytikprogramm kann evtl. experimentelle Varianten ersetzen Seltenere Beprobungen mit größeren Wiederholungszahlen erscheinen sinnvoll

16 Ausblick & Danksagung Potentieller Modifizierungsbedarf des Rothamsted Carbon Model 1.Kulturspezifische Verhältnisse an leicht zersetzbarer zu schwer zersetzbarer Streu (DPM/RPM) 2.Aufsplittung des HUM-Pools in zwei Pools – geschütztes C in Mikroaggregaten & schluff- und tongeschütztes C (nach Six et al. 2002) 3.Einführung einer modifizierenden Konstante für die biotische Ausstattung der Böden 4.Berücksichtigung einer modifizierenden Konstante für die Bodenkultivierung Danksagung Finanzierung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im SPP 1090

17 Modellierung der C-Dynamik in einem sandigen Ackerboden (I) Standort: Ewiger Roggenbau in Halle Roggen (R NPK, R 0 )- und Mais (M NPK, M 0 )-Monokulturen seit 1878 bzw Bodentyp: Degradierte Schwarzerde Textur: 70% Sand, 20% Schluff, 10% Ton SOC-Vorräte im Ap-Horizont: M NPK :4.79 kg C m -2, maisbürtiger Anteil: 14.8 % R NPK : 4.94 kg C m -2 M 0 : 3.65 kg C m -2, maisbürtiger Anteil: 9.6 % R 0 : 3.83 kg C m -2

18 Modellierung der C-Dynamik in einem sandigen Ackerboden (II) Unbekannte Größen 1. Menge an IOM, 2. jährlicher Roggen-C-Input, 3. jährlicher Mais-C-Input Modellierung bei Verwendung von 13 C-Ergebnissen 1. Abschätzung des Mais-C-Inputs anhand des maisbürtigen SOC-Vorrats = 0.09 kg C m -2 a -1 - Abschätzung aus Ertrag: 0.08 kg C m -2 a -1 (Flessa et al. 2000) 0.11 kg C m -2 a -1 (Franko 1997) 2. und 3. Variation des Roggen-C-Inputs und der Menge an IOM anhand der C 3 -SOC- Vorräte der Flächen R NPK und M NPK Roggen-C-Input = 0.09 kg C m -2 a -1 - Abschätzung aus Ertrag: 0.08 kg C m -2 a -1 (Franko 1997) IOM = 2.5 kg C m -2 - Abschätzungen: 0.3 (Falloon et al. 1998), 1.3 (Rühlmann, 1999) & 2.1 (Körschens, 1980) kg C m -2

19 Modellierung der C-Dynamik in einem sandigen Ackerboden (II) Vergleich modellierter und experimenteller Ergebnisse (Ludwig et al. 2003, Eur. J. Soil Sci.)

20 Modellierung der C-Dynamik in einem schluffigen Ackerboden (I) Standort: Rotthalmünster Weizen-Monokultur seit 1969 (W NPK ), 1979 Einrichtung einer Mais- Monokultur (M NPK ) Bodentyp: Pseudogley-Parabraunerde, Textur: 11% Sand, 72% Schluff, 17% Ton SOC-Vorräte im Ap-Horizont: M NPK : 5.36 kg C m -2, maisbürtiger Anteil: 35.1 % W NPK : 5.38 kg C m -2

21 Modellierung der C-Dynamik in einem schluffigen Ackerboden (II) Unbekannte Größen 1. Menge an IOM; jährliche Inputs an 2. Gras-C, 3. Weizen-C & 4. Mais-C Modell A (Optimierung der C-Einträge) 1. Abschätzung des Mais-C-Inputs anhand des C 4 -bürtigen C-Vorrats: 0.41 kg C m -2 a und 3. Variation des Gras-C-Inputs (0.41 kg C m -2 a -1 ) & der Menge an IOM (0.3 kg C m -2) anhand des C 3 -SOC-Vorrats 1960 und Jährlicher Weizen-C-Input aus unabhängiger Schätzung über Erträge Modell B (unabhängige Abschätzung der C-Einträge) 1. Abschätzung der IOM-Menge anhand der Falloon-Gleichung: 0.5 kg C m Abschätzung des Gras-C-Inputs aus dem C-Vorrat 1960: 0.39 kg C m -2 a und 4. Abschätzungen des Weizen- (0.08 kg C m -2 ) und Mais-C-inputs (0.17 kg C m -2 ) aus den Erträgen plus der Stroheinträge (Weizen: 0.19; Mais: 0.46 kg C m -2 a -1 )

22 Modellierung der C-Dynamik in einem sandigen Ackerboden (II) Vergleich modellierter und experimenteller Ergebnisse (Ludwig et al. 2005, Plant Soil)

23 Einleitung (I) Modellierung mit dem Rothamsted Carbon Model – früher & heute (Coleman et al. 1997, Geoderma) (Ludwig et al. 2005, Plant Soil) C-Vorrat (kg m -2 ) Jahre

24 Einleitung (IV) Modellierungen mit dem Rothamsted Carbon Model (Coleman et al. 1997) (Ludwig et al. 2005) IOM: … arbitrarily assuming an IOM content of 3.0 t C ha -1. C inputs: iterative Optimierung IOM: Falloon-Gleichung, Ergebnisse der stabilen Isotope, Black C-Gehalte C inputs: unabhängig abgeschätzt über die Erträge


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