1 Fachgebiet Umweltchemie, FB Ökologische Agrarwissenschaften, Universität Kassel

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

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 ?

Einleitung (II)

Struktur des Rothamsted Carbon Model

Orga-nische

Einträge

ZersetzbaresPflanzenma-terial (DPM)

Schwer zersetzbares Pflanzenma-terial (RPM)

Inerte organische Substanz (IOM)

Humifizierteorganische Sub-stanz (HUM)

Mikrobielle Bio- masse (Cmic)

CO2

HUM

Cmic

CO2

(Coleman & Jenkinson, 1999)

Abbau der Pools DPM, RPM, Cmic und HUM jeweils: Y = Y0 (1 - e- k t) : Temperatureinfluß, : Bodenfeuchteeinfluß, : Vegetationseinfluß, k = Abbaukonstanten k1 - k4, t = Zeit

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)

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 ?

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

Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (II)

Unbekannte Größen

1. Menge an IOM1. 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 2.-5. Zuckerrüben-C, 6.-9. Sommergerste-C, 10.-13. Kartoffel-C & 14.-17. Winterweizen-C

Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (III)

Modelle 1a & 1b1. Abschätzung der IOM-Menge aus dem Kurzzeit-Schwarzbrachenexperiment

Variante : 5-Jahres-Schwarzbrache

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1900 1950 2000

C-V

orr

at

/ t C

ha

-1

•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

Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (IV)

Modell 1a2-17 unabhängige Abschätzungen der C-Einträge über die Erträge aus

Regressionsgleichungen experimenteller Untersuchungen (Franko 1997)

C-Eintrag = KEWR + FEWR * Ertrag

Modell 1bC-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)

Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (V)

Modell 1a: IOM : Kalibrierung am Kurzzeitexperiment

C-Einträge: Franko-Regressionsgleichung

Variante 1 :NPK- & Mistgaben

50

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100

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1900 1950 2000

Variante 2: Mistgaben

50

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80

90

100

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1900 1950 2000

Variante 3: NPK-Gaben

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1900 1950 2000

Variante 4: ungedüngt

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1900 1950 2000

C-V

orr

at

/ t C

ha

-1

Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VI)

Modell 1b: IOM : Kalibrierung am Kurzzeitexperiment

C-Einträge: Literaturdaten aus Klimanek (1997)


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C-V

orr

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/ t C

ha

-1

Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VII)

Modelle 2a & 2b1. Abschätzung der IOM-Menge aus einer Langzeitvariante

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1900 1950 2000

C-V

orr

at

/ t C

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1900 1950 2000

Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (VIII)

Modell 2a: IOM : Kalibrierung an Langzeitvariante 3b

C-Einträge: Franko-Regressionsgleichung (& * 1.5)


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C-V

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ha

-1

Modellierung der C-Dynamik in einem lehmigen Ackerboden (IX)

Modell 2b: IOM : Kalibrierung an Langzeitvariante 3b

C-Einträge: Literaturdaten aus Klimanek (1997)


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1900 1950 2000

C-V

orr

at

/ t C

ha

-1

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

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

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


• SOC-Vorräte im Ap-Horizont:

• MNPK: 4.79 kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 14.8 %

• RNPK: 4.94 kg C m-2

• M0: 3.65 kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 9.6 %

• R0: 3.83 kg C m-2

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-Ergebnissen1. 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 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


Vergleich modellierter und experimenteller Ergebnisse

Symbole: Gemessene maisbürtige Anteile des SOC; Linien: Modell

0

4

8

12

16

1960 1970 1980 1990 2000Jahr

C4-

C [

% d

es

SO

C ]

MNPK M0

(Ludwig et al. 2003, Eur. J. Soil Sci.)

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,


• SOC-Vorräte im Ap-Horizont:

• MNPK: 5.36 kg C m-2, maisbürtiger Anteil: 35.1 %

• WNPK: 5.38 kg C m-2

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: 0.41 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: 0.39 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)


Vergleich modellierter und experimenteller Ergebnisse

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1

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Years

Model B

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1960 1970 1980 1990 2000

C4-derivedC3-derived

Total

JahreJahre

Ludwig et al. Modelling the stabilization of carbon from maize in a silty soil in a long-term experiment. Plant Soil (submitted)

C-V

orra

t (k

g C

m-2

)

Modell A: Optimierung der C-Einträgein den Boden

Modell B: unabhängige Abschätzung der C-Einträge

(Ludwig et al. 2005, Plant Soil)

Einleitung (I)

Modellierung mit dem Rothamsted Carbon Model – früher & heute

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Total

(Coleman et al. 1997, Geoderma) (Ludwig et al. 2005, Plant Soil)

C-Vorrat (kg m-2)

Jahre

Einleitung (IV)

Modellierungen mit dem Rothamsted Carbon Model

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5

6

7

1960 1970 1980 1990 2000


Total

(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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