Modellierung der Kohlenstoffdynamik mit dem Modell CCB

Es wird ein vereinfachtes Modell zur Berechnung von Kohlenstoff-Bilanzen präsentiert, das vom CANDY-Modell abgeleitet wurde. Es arbeitet in Jahresschritten und erfordert als Minimaleingabe die Bodenart, den Tongehalt, Mittelwerte für Lufttemperatur und Niederschlag als Standortcharakteristik sowie einen Anfangswert für den Corg-Gehalt. Weiterhin werden Eingaben zum Ertrag und den zugeführten organischen Düngern verarbeitet. Candy Carbon Balance (CCB) wurde mit einem Datensatz von 40 Dauerversuchen mit 391 verschiedenen Varianten und einer Gesamtzahl von 4794 Corg messwerten validiert. Die gefundenen statistischen Maßzahlen zum Nachweis der Validität des Modells sind der mittlere Fehler (ME=-0.001) und der mittlere quadratische Fehler (RMSE=0.119). Daneben wurde eine Anzahl von test durchgeführt um abzusichern, dass keine systematischen Fehler für spezielle Standortbedingungen oder Bewirtschaftungsmaßnahmen vorliegen. Nach dieser erfolgreichen Validierung kann das Modell für einen weiten Bereich von Standortbedingungen im Rahmen des Beratungsdienstes für Ackerbau benutzt werden

Verfahren zur Abschätzung von Humusreproduktion und N-Umsatz im ökologischen und konventionellen Ackerbau

Der Humusumsatz und die Nährstoffdynamik des Bodens werden durch die landwirtschaftliche Bewirtschaftung und durch die Standorteigenschaften geprägt. Die unter praktischen Verhältnissen anwendbaren Berechnungsmethoden beinhalten allerdings nur partiell eine Standortwirkung. Aktuelle Prozessmodelle zur Bodenkohlenstoffdynamik erfordern spezielle Fachkenntnisse und haben in der Regel einen hohen Eingangsdatenbedarf, sodass sie bisher nur im wissenschaftlichen Bereich eingesetzt werden konnten. Um die Vorteile dieser Verfahren auch für den Einsatz unter Praxisbedingungen mit der dort gewöhnlich anzutreffenden reduzierten Datengrundlage nutzen zu können, wurde in einer langjährigen Forschungskooperation zwischen dem Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG) und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) eine stark vereinfachte Variante eines Prozessmodels erstellt. Das Modell CANDY Carbon Balance (CCB) berücksichtigt Standorteffekte und besitzt einen Bezug zum Kohlenstoff und zum Stickstoff im Boden. Unter Nutzung von Schlagkarteiaufzeichnungen kann das Modell auf Schlag- und Regionsebene die Humusreproduktion und die N-Mineralisation in chronologischer Abfolge berechnen, wodurch Informationen sowohl zur generellen Kontrolle und Lenkung der Bodenfruchtbarkeit und der Nährstoffeffizienz als auch zur Verbesserung der Düngebedarfsermittlung erhalten werden. Bezüglich der potenziellen Anwendergruppe liegt der Fokus auf der Landwirtschaftsberatung und -verwaltung des konventionellen und ökologischen Ackerbaus. Eine Modellversion zum praktischen Einsatz ist in der Vorbereitung

Transfer of carbon incubation parameters to model the SOC and SON dynamics of a field trial with energy crops applying digestates as organic fertilizers

The fertilization with organic amendments and digestates from biogas plants is increasingly used to increase carbon stock and to improve the soil quality, but little is still known about their long-term effects. A common method to analyse organic amendments and their mineralization is incubation experiments, where amendments get incubated with soil while CO2 release is measured over time. In a previous study, carbon models have been applied to model the carbon dynamics of incubation experiments. The derived parameters describing the carbon turnover of the CCB model (CANDY Carbon Balance) are used to simulate the SOC and SON dynamics of a long-term field trial. The trial was conducted in Berge (Germany) where organic amendments like slurry, farmyard manure or digestates were systematically applied. To grant a higher model flexibility, the amounts of crop residues were calculated for roots and stubble separately. Furthermore, the mineralization dynamics of roots and stubble are considered by the model parameters for each crop. The model performance is compared when using the dry matter and carbon content received from the field trial and the incubation experiments, to evaluate the transferability. The results show that the incubation parameters are transferable to the field site, with rRMSE < 10% for the modelled SOC and rRMSE between 10% and 15% for the SON dynamics. This approach can help to analyse long-term effects of unexplored and unusual organic fertilizers under field conditions, whereat the model is used to upscale the C dynamics from incubation experiments, considering environmental conditions.Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe http://dx.doi.org/10.13039/501100010812HELMHOLTZ‐ZENTRUM FUR UMWELTFORSCHUNG UFZ.Peer Reviewe

Biogas residue parameterization for soil organic matter modeling

A variety of biogas residues (BGRs) have been used as organic fertilizer in agriculture. The use of these residues affects the storage of soil organic matter (SOM). In most cases, SOM changes can only be determined in long-term observations. Therefore, predictive modeling can be an efficient alternative, provided that the parameters required by the model are known for the considered BGRs. This study was conducted as a first approach to estimating the organic matter (OM) turnover parameters of BGRs for process modeling. We used carbon mineralization data from six BGRs from an incubation experiment, representing a range of substrate inputs, to calculate a turnover coefficient k controlling the velocity of fresh organic matter (FOM) decay and a synthesis coefficient describing the SOM creation from FOM. An SOM turnover model was applied in inverse mode to identify both parameters. In a second step, we related the parameters k and to chemical properties of the corresponding BGRs using a linear regression model and applied them to a long-term scenario simulation. According to the results of the incubation experiment, the k values ranged between 0.28 and 0.58 d-1 depending on the chemical composition of the FOM. The estimated values ranged between 0.8 and 0.89. The best linear relationship of k was found to occur with pH (R2 = 0.863). Parameter is related to the Ct/Norg ratio (R2 = 0.696). Long-term scenario simulations emphasized the necessity of specific k and values related to the chemical properties for each BGR. However, further research is needed to validate and improve these preliminary results. © 2018 Prays et al. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited

Erstellung und Prüfung von Verfahren zur Abschätzung des N-Umsatzes im Rahmen der Humusreproduktion im ökologischen Landbau - Projektvorstellung

Die Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft entwickelt in Zusammenarbeit mit dem Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle für die landwirtschaftliche Praxis ein Verfahren zur Beschreibung der Kohlenstoffdynamik in der organischen Bodensubstanz und der Abschätzung der N-Mineralisierung. Dazu wird das PC-Modell zum Kohlenstoffhaushalt CCB (Candy Carbon Balance) genutzt und weiter entwickelt, da dieses wenige Eingangsdaten benötigt, die im landwirtschaftlichen Betrieb leicht verfügbar sind. In dem Modell ist an die Mineralisierung des Kohlenstoffs die N-Freisetzung aus der organischen Substanz gekoppelt. Zur Überprüfung des CCB werden Werte aus Dauerversuchen herangezogen

Humusumsatz und Stickstoffeinträge in Gewässer: Dynamische Bilanzierung von Humushaushalt und Nährstoffaustrag im regionalen Maßstab im Kontext von Landnutzungs- und Klimawandel: Phase 2: Bilanzierung von Stickstoffeinträgen in sächsische Gewässer

Der Bericht knüpft an die Broschüre „Regionale Humus- und Nährstoffdynamik“ an und führt die dort vorgestellten Grundlagenarbeiten zur Kopplung der Teilmodelle CCB (Kohlenstoffhaushalt) und STOFFBILANZ (Nährstoffhaushalt) fort. Die sachsenweiten Modell-Ergebnisse zur Stickstoff-Bilanzierung zeigen, dass ein kontinuierlicher Humusaufbau auf Landwirtschaftsflächen die Stickstoff-Austräge aus dem Boden bzw. deren Einträge in die Gewässer verringern kann. Die Veröffentlichung richtet sich an Verwaltungen, Planungsbüros, Lehr- und Forschungsinstitutionen sowie Interessenverbände mit Bezug zu Landwirtschaft und Gewässerschutz. Redaktionsschluss: 11.07.201

A model ensemble approach to determine the humus building efficiency of organic amendments in incubation experiments

Organic amendments are important to sustain soil organic matter (SOM) and soil functions in agricultural soils. Information about the contribution of organic amendments to SOM can be derived from incubation experiments. In this study, data from 72 incubated organic amendments including plant residues, digestates and manure were analysed. The incubation data was compiled from three experimental setups with varying incubation times, soils and incubation temperatures, in which CO2 release was measured continuously. The analysis of the incubation data was performed with an approach relying on conceptual parts of C-TOOL, CCB, Century, ICBM, RothC and Yasso which are all well-approved first-order carbon models that differ in structure and abstraction level. All models are an approximation of reality, whereby each model differs in understanding of the processes involved in soil carbon dynamics. To accumulate the advantages from each model a model ensemble was performed for each substrate. With the ability of each carbon model to compute the distribution of carbon into specific SOM pools a new approach for evaluating organic amendments in terms of humus building efficiency is presented that, depends on the weighted model fit of each ensemble member. Depending on the organic substrate added to the soil, the time course of CO2 release in the incubation studies was predicted with different accuracy by the individual model concepts. Averaging the output of the individual models leads to more robust prediction of SOM dynamics. The EHUM value is easy to interpret and the results are in accordance with the literature.Peer Reviewe

Humusreproduktion und N-Umsatz

Prozessmodelle zur Ermittlung von Humusumsatz und Nährstoffdynamik des Bodens erfordern umfangreiche Eingangsdaten und konnten bisher nur im wissenschaftlichen Bereich eingesetzt werden. Der Bericht beschreibt eine stark vereinfachte Variante eines Prozessmodells, das auch mit reduzierter Datengrundlage genutzt werden kann. Das Modell CANDY Carbon Balance (CCB) berücksichtigt Standorteffekte und besitzt einen Bezug zum Kohlenstoff und zum Stickstoff im Boden. Unter Nutzung von Schlagkarteiaufzeichnungen kann das Modell auf Schlag- und Regionsebene die Humusreproduktion und die N-Mineralisation in chronologischer Abfolge berechnen. Dadurch werden Informationen zur Kontrolle und Lenkung der Bodenfruchtbarkeit und der Nährstoffeffizienz sowie zur Verbesserung der Düngebedarfsermittlung gewonnen. Das Modell ist für die Landwirtschaftsberatung und -verwaltung des konventionellen und ökologischen Ackerbaus geeignet

Simulating the soil phosphorus dynamics of four long‐term field experiments with a novel phosphorus model

Phosphorus is a nonrenewable resource, which is required for crop growth and to maintain high yields. The soil P cycle is very complex, and new model approaches can lead to a better understanding of those processes and further guide to research gaps. The objective of this study was to present a P-submodel, which has been integrated in the existing Carbon Candy Balance (CCB) model that already comprises a C and N module. The P-module is linked to the C mineralization and the associated C-pools via the C/P ratio of fresh organic material. Besides the organic P cycling, the module implies a plant-available P-pool (Pav), which is in a dynamic equilibrium with the nonavailable P-pool (Pna) that comprises the strongly sorbed and occluded P fraction. The model performance was tested and evaluated on four long-term field experiments with mineral P fertilization, farmyard manure as organic fertilizer and control plots without fertilization. The C dynamics and the Pav dynamics were modelled with overall good results. The relative RMSE for the C was below 10% for all treatments, while the relative RMSE for Pav was below 15% for most treatments. To accommodate for the rather small variety of available P-models, the presented CNP-model is designed for agricultural field sites with a relatively low data input, namely air temperature, precipitation, soil properties, yields and management practices. The CNP-model offers a low entry threshold model approach to predict the C-N and now the P dynamics of agricultural soils.Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe http://dx.doi.org/10.13039/501100010812Peer Reviewe

CO2-Zertifikate für die Festlegung atmosphärischen Kohlenstoffs in Böden: Methoden, Maßnahmen und Grenzen

Agrarböden besitzen durch den Aufbau von organsicher Bodensubstanz (Humus), die zu etwa 58% aus Kohlenstoff (Corg) besteht, ein großes Potential zur Kohlenstoffbindung. Positive Anstrengungen im Humusmanagement könnten daher einen wesentlichen Beitrag für den Klimaschutz leisten. Für Landwirtinnen und Landwirte stellen so genannte CO2-Zertifikate für den Aufbau von Corg („Humuszertifikate“) einen zusätzlichen Anreiz dar, humusfördernde Bewirtschaftungsmaßnahmen umzusetzen. Diese CO2-Zertifikate werden von privatwirtschaftlichen Initiativen und Unternehmen im Bereich des freiwilligen CO2-Markts vergeben. Insbesondere im Bereich der Landwirtschaft wächst im deutschsprachigen Raum derzeit der Zertifikatehandel für den Aufbau von Corg in Agrarböden. Um zum Klimaschutz beizutragen, müssen bei der Vergabe von Zertifikaten bestimmte Kriterien eingehalten werden. Wissenschaftliche Mindeststandards wurden dabei in der Praxis bislang jedoch wenig berücksichtigt. In dieser Studie werden Empfehlungen hinsichtlich der Erfassung von Corg (Probenahme, Analytik, Vorratsberechnung), eine Bewertung von Maßnahmen zum Corg-Aufbau, sowie Hinweise zu generellen Einschränkungen hinsichtlich des Klimaschutzes über CO2-Zertifikate gegeben. CO2-Zertifikate können einen positiven Anstoß geben, damit sich Landwirte verstärkt mit einer nachhaltigen Bewirtschaftung und Humusversorgung ihrer Böden auseinandersetzen. Da Humus die zentrale Steuergröße für viele Funktionen des Bodens und nicht zuletzt der Bodenfruchtbarkeit darstellt, ist jede Anstrengung für mehr Humus sinnvoll. Landwirtinnen und Landwirte, die sich für Humusaufbau interessieren, sollten daher hinsichtlich standort- und betriebsspezifischen Optionen zum Aufbau von Corg umfassend unterstützt und beraten werden