Modellierung von N₂O- und N₂-Emissionen aus Pflanzenrückständen und organischer Düngung

Hintergrund und Zielsetzung

Die Düngung von Ackerböden mit Gülle und die Einarbeitung von Ernterückständen beeinflussen gasförmige N-Verluste in die Atmosphäre einschließlich NO, N₂O und N₂ sowie die Nitratauswaschung. Ihr Ausmaß hängt von der komplexen Wechselwirkung zwischen Techniken zur Bewirtschaftung von Gülle und Ernterückständen sowie von den Eigenschaften dieser Substrate und des Bodens ab.

Die erste Phase von MOFANE befasste sich mit der allgemeinen Frage, wie sich die Gülledüngung und ihre Ausbringungsweise auf die N₂O- und N₂-Flüsse aus landwirtschaftlichen Böden auswirken, wie ihre Optimierung Emissionen verringern und gleichzeitig die Ernteerträge erhalten können und wie die Modelle verbessert werden müssten, um Antworten zu finden. Wir haben dies durch gezielte Experimente zur Quantifizierung von N₂-, N₂O- und NO-Flüssen sowie von Bruttomineralisierungs- und Nitrifikationsraten von Boden-Gülle-Systemen unter kontrollierten Bedingungen bearbeitet und die Ergebnisse zur Bewertung und Verbesserung von Modellen verwendet. In der zweiten Projektphase wird zusätzlich der Effekt eingearbeiteter Ernteresiduen auf Denitrifikationsprozesse untersucht. Ähnlich wie bei der organischen Düngung führen im Boden verteilte Pflanzenreste zur Ausbildung von Hotspots, welche die Höhe und zeitlichen Verlauf gasförmiger N Verluste bestimmen. Es werden kontrollierte Laborexperimente durchgeführt, welche die Denitrifikation und deren Steuergrößen für verschiedene Einarbeitungstechniken pflanzlicher Residuen und organischer Düngung in Abhängigkeit von bodenphysikalischen und -chemischen Eigenschaften analysieren. Anhand dieser Experimente werden Modelle weiterentwickelt, die in der Lage sind Denitrifikationsprozesse an Hotspots zu beschreiben.

Vorgehensweise

Das Arbeitsprogramm umfasst drei Modellierungsarbeitspakete (WP1-3) zur Entwicklung, Prüfung und Anwendung verbesserter Modelle. Außerdem werden vier experimentelle Arbeitspakete durchgeführt, um die erforderlichen Daten zu liefern.

Im Arbeitspaket 1 werden die Modelle der Phase 1 von MOFANE weiterentwickelt und die notwendigen Änderungen vorgenommen, um auch die räumliche Verteilung von Ernterückständen zu berücksichtigen. Dies beinhaltet die Weiterentwicklung des bestehenden DyMaN-Dünger-Boden-Submoduls durch die Integration von Ernterückständen-Boden-Hotspot-Prozessen. Es werden explizite reaktionskinetische Beschreibungen für Bodenatmung, Nitrifikation und Denitrifikation für die Boden-Dünger- und Boden-Pflanzenrückstand-induzierte Hot-Spot-Grenzzone definiert und die resultierenden Sauerstoffkonzentrationen im Boden modelliert.

In WP2 werden geeignete Datensätze für die Modellentwicklung, Kalibrierung und Validierung gesammelt und ausgewertet, um WP1 und W3 zu unterstützen. In WP3 wird die Modellierung von Minderungsszenarien für optimiertes Düngemittel- und Ernterückstandsmanagement auf der Grundlage der Daten der Bodenzustandserhebung Landwirtschaft und unter Verwendung validierter Modelle aus WP1 durchgeführt.

Im Rahmen des experimentellen Arbeitsprogramms werden Böden unter kontrollierten Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen und mit gezieltem Einsatz von Gülle oder Ernterückständen bebrütet. Die Gasflüsse aus Nitrifikation und Denitrifikation sowie deren Kontrollvariablen werden gemessen. In den Arbeitspaketen 4 bis 6 wird dies mit gesiebten Böden und durch die Simulation der Einarbeitung von Ernterückständen oder organischen Düngemitteln beim Packen des Bodens in unsere Inkubationsgefäße erfolgen. In WP7 schließlich wird die Inkubation von intakten Bodenkernen durchgeführt, die von Feldstandorten mit Einarbeitung von Ernterückständen durch unterschiedliche Bodenbearbeitung stammen.