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Modellierung der Kohlenstoffdynamik in Ackerböden mit dem Rothamsted Carbon Model Bernard Ludwig1, Mirjam Helfrich1, 2 & Heiner Flessa2 1Fachgebiet Umweltchemie,

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1 Modellierung der Kohlenstoffdynamik in Ackerböden mit dem Rothamsted Carbon Model Bernard Ludwig1, Mirjam Helfrich1, 2 & Heiner Flessa2 1Fachgebiet Umweltchemie, FB Ökologische Agrarwissenschaften, Universität Kassel 2Institut für Bodenkunde und Waldernährung, Universität Göttingen

2 Modellierung mit dem Rothamsted Carbon Model
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 ? Einsatz z.T. als Referenz zum Testen anderer Modelle (Gabrielle et al. 2003)

3 Struktur des Rothamsted Carbon Model
Einleitung (II) Struktur des Rothamsted Carbon Model Zersetzbares Pflanzenma-terial (DPM) Orga-nische Einträge CO2 Schwer zersetzbares Pflanzenma-terial (RPM) Mikrobielle Bio- masse (Cmic) CO2 Humifizierte organische Sub-stanz (HUM) Cmic Inerte organische Substanz (IOM) HUM Abbau der Pools DPM, RPM, Cmic und HUM jeweils: Y = Y0 (1 - e- a b c k t) a : Temperatureinfluß, b : Bodenfeuchteeinfluß, c : Vegetationseinfluß, k = Abbaukonstanten k1 - k4, t = Zeit (Coleman & Jenkinson, 1999)

4 Eingabedaten des Rothamsted Carbon Model
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 Menge an IOM Black C ? Falloon-Gleichung: 6.5 t C ha-1 Körschens-Ansatz: 45.7 t C ha-1 Franko, CANDY-Modellierung: 59.3 t C ha-1 Kalibrierung an einer Variante des Bad Lauchstädt-Experimentes Kurzzeitexperiment Langzeitexperiment 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 unabhängige Abschätzungen der C-Einträge über die Erträge aus Regressionsgleichungen experimenteller Untersuchungen (Franko 1997) C-Eintrag = KEWR + FEWR * 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 Potentieller Modifizierungsbedarf des Rothamsted Carbon Model
Ausblick & Danksagung Potentieller Modifizierungsbedarf des Rothamsted Carbon Model Kulturspezifische Verhältnisse an leicht zersetzbarer zu schwer zersetzbarer Streu (DPM/RPM) Aufsplittung des HUM-Pools in zwei Pools – geschütztes C in Mikroaggregaten & schluff- und tongeschütztes C (nach Six et al. 2002) Einführung einer modifizierenden Konstante für die biotische Ausstattung der Böden 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 (RNPK, R0)- und Mais (MNPK, M0)-Monokulturen seit 1878 bzw. 1961 Bodentyp: Degradierte Schwarzerde Textur: 70% Sand, 20% Schluff, 10% Ton SOC-Vorräte im Ap-Horizont: MNPK: 4.79 kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 14.8 % RNPK: kg C m-2 M0: kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 9.6 % R0: 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 13C-Ergebnissen 1. Abschätzung des Mais-C-Inputs anhand des maisbürtigen SOC-Vorrats = 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 C3-SOC-Vorräte der Flächen RNPK und MNPK 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 Symbole: Gemessene maisbürtige Anteile des SOC; Linien: Modell 4 8 12 16 1960 1970 1980 1990 2000 Jahr C4- C [% des SOC ] MNPK M0 (Ludwig et al. 2003, Eur. J. Soil Sci.)

20 Modellierung der C-Dynamik in einem schluffigen Ackerboden (I)
Standort: Rotthalmünster Weizen-Monokultur seit 1969 (WNPK), 1979 Einrichtung einer Mais-Monokultur (MNPK) Bodentyp: Pseudogley-Parabraunerde, Textur: 11% Sand, 72% Schluff, 17% Ton SOC-Vorräte im Ap-Horizont: MNPK: 5.36 kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 35.1 % WNPK: 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 C4-bürtigen C-Vorrats: kg C m-2 a-1 2. 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 C3-SOC-Vorrats 1960 und 2002 4. 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-2 2. Abschätzung des Gras-C-Inputs aus dem C-Vorrat 1960: kg C m-2 a-1 3. 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 C-Vorrat (kg m-2) Jahre (Coleman et al. 1997, Geoderma) (Ludwig et al. 2005, Plant Soil)

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


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