Implementation of a coupled agricultural landscape model to predict water, carbon and nitrogen fluxes on the catchment scale

• Antragsteller: Professor Dr. Lutz Breuer
• Fachliche Zuordnung: Ökologie der Landnutzung
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 183697193

Wasser spielt eine entscheidende Rolle in der Verteilung und Umverteilung von Energie, Nährstoffen, Schadstoffen und Böden in Landschaften. Es treibt das Pflanzenwachstum an, führt zu Überschwemmungen und regelt Spurengasemissionen aus Böden. Landwirte berücksichtigen die Niederschlagsverhältnisse bei der Ausbringung von Pestiziden oder die Bodenfeuchte bei der Bearbeitung, um Bodenverdichtung zu vermeiden - Wasser ist hier ein indirekter Treiber solcher Entscheidungen. Hydrologische Randbedingungen und Prozesse, die die direkten und indirekten Treiber regulieren, sind variabel in Raum und Zeit. Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge von Wasser und Stoffflüssen in Landschaften oder zur Beantwortung der Frage „Was passiert, ... wenn“ sind Modelle unverzichtbare Werkzeuge.In der Vergangenheit wurden viele Modelle für einzelne Ökosysteme entwickelt, es fehlen aber umfassende Ansätze, die die möglichen Feedback-Mechanismen und Wechselwirkungen zwischen Ökosystem-Komponenten in Landschaften abbilden. Ein derartiges Modell soll in diesem Projekt etabliert werden. Dazu wird das hydrologische Catchment Modeling Framework (CMF) in einem voll-verteilten, deterministischen Modus aufgesetzt. CMF folgt dem „open source“ Gedanken und ist modular aufgebaut. Es ermöglicht sowohl die Ankopplung speziell entwickelter als auch bereits etablierter Modelle. Im vorliegenden Fall sind dies Modelle zur Pestizidverlagerung, dem landwirtschaftlichen Management, dem Pflanzen- und Baumwachstum sowie der Biogeochemie. In einem vorbereitenden DFG-Forschungsprojekt (BR 2238/7-1) und dem EU Integrated Project NitroEurope wurden die meisten dieser Modelle bereits entwickelt. Ein Pestizidmodell ist noch nicht vorhanden und soll auf eigenen Erfahrungen mit den Modellen PRZM und MACRO aufgesetzt werden. Eine vollständige Kopplung der Modelle und Prüfung des resultierenden Multi-Modells mit realen Daten wurde noch nicht durchgeführt und ist letztendlich Ziel des Projekts.CMF soll im Schwingbach eingesetzt werden, einem 25 km² großen, mitteleuropäischen Einzugsgebiet. Das Einzugsgebiet ist im Unterlauf intensiv landwirtschaftlich genutzt und im Oberlauf vor allem durch Wälder und Wiesen charakterisiert. Hydrologische und biogeochemische Messungen erfolgen seit 2010 mit der Einrichtung der „Studienlandschaft Schwingbachtal“, einem experimentellen Einzugsgebiet für Lehre und Forschung der Justus-Liebig-Universität Gießen. Pestizidkonzentrationen sollen im Rahmen des beantragten Projekts gemessen werden, um einen soliden Datensatz für die Pestizidmodellierung zu haben. Zum Nachweis, ob die räumliche und zeitliche Dynamik der Prozesse richtig abgebildet wird, sollen „hot spots“ und „hot moments“ von Pestizid- und Stickstoffkonzentrationen in Gewässern gemessen und mit modellierten Daten verglichen werden. Abschließend sollen die Auswirkungen von Landnutzungs- und Managementoptionen auf die Umsätze von Wasser, Nährstoffen und Pestiziden im Einzugsgebiet untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Hans-Georg Frede