RT Dissertation/Thesis
T1 Numerische Modellierung und Simulation der räumlichen und zeitlichen Variabilität von Lachgasemissionen aus Agrarökosystemen
A1 Huber,Stefan
WP 2005/06/06
AB Ziel der Arbeit ist es, die räumliche und zeitliche Variabilität von Lachgasemissionen aus Agrarökosystemen durch die Kopplung mathematischer Simulationsmodelle und Geographischer Informationssysteme (GIS) zu analysieren. Im Einzelnen werden dabei ein methodisches und ein inhaltliches Ziel verfolgt. Methodisch wird ein allgemeines Software-Framework zur Verknüpfung von Agrarökosystemmodellen und GIS entwickelt, wobei objektorientierte und komponentenbasierte Konzepte Verwendung finden. Als Beispiel für eine Implementierung  wird das Agrarökosystemmodell DNDC, das zwei-dimensionale Bodenwassermodell SWMS2d und GIS unter dem neuen Framework zu dem neuen Modell SpatialDNDC integriert. SpatialDNDC wird für die Analyse der räumlichen und zeitlichen Variabilität von Lachgasemissionen aus Agrarökosystemen auf verschiedenen Skalen  angewandt. Die Simulation der Emissionen an 281 unabhängigen Bodenpunkten für neun Jahre in einem 40 ha großen Feld in Michigan/USA zeigt eine große zeitliche und räumliche Variabilität, welche von 0.35 bis 4.21 kg N2O-N/ha/a reicht. Bis auf drei Jahre sind die simulierten Jahresemissionen lognormalverteilt.  Während der Vergleich von gemessenen und simulierten Tagesemissionen keine gute Übereinstimmung liefert, kann gezeigt werden, dass der Median der täglichen N2O-Emissionsraten als charakteristische Kennzahl für ein Jahr unter den gegebenen Standortbedingungen betrachtet werden kann. Der Einfluss lateraler Wasserbewegungen auf die Emission von N2O wird durch die Anwendung von SpatialDNDC auf einen Datensatz aus Scheyern/Bayern, welcher Messdaten des Jahres 1997 für fünf Standorte entlang eines Hangtransekts bereit hält, untersucht. Die simulierten täglichen Emissionsraten unterscheiden sich kaum zwischen den einzelnen Standorten, wobei sie die Messdaten zufrieden stellend abbilden. Die zeitliche Variabilität der täglichen Emissionen ist im Wesentlichen vom Auftreten von Stickstoff-Düngungsereignissen und darauf folgenden Regenereignissen geprägt. Bei Betrachtung der Jahresemissionen zeigt sich ein hangabwärts gerichteter Gradient mit der höchsten Emission von 6.87 kg N2O-N/ha/a am höchsten Standort und mit 6.37 kg N2O-N/ha/a als niedrigste Emission in der Senke. Dieser Gradient lässt sich durch den Wasserhaushalt im Boden erklären, der durch eine regenarme Periode im Frühling geprägt ist. Da den tiefer gelegenen Pflanzen durch laterale Transportprozesse mehr Wasser für das frühe Wachstum zur Verfügung steht, entziehen diese dem Boden während der regenarmen Periode mehr Wasser. Dadurch ist der durchschnittliche
Wassergehalt, welcher in SpatialDNDC einen entscheidenden Einfluss auf die Emission von N2O-N hat, geringer als an den höher gelegenen Standorten.
Die Modellierung der Emission von N2O aus Agrarökosystemen der Nordchinesischen
Tiefebene kann lediglich als Testfall für die Anwendung von SpatialDNDC auf größere Regionen bzw. ganze Nationen betrachtet werden, da einerseits detaillierte Eingangsgrößen fehlen und andererseits keine regionalen Validierungsdaten zur Verfügung stehen.
Die drei Simulationsstudien zeigen deutlich die beiden Hauptprobleme bei der regionalen Anwendung von Agrarökosystemmodellen: Einerseits fehlen genaue Eingangsgrößen für die Simulationsmodelle, was dem Modellierer häufig nur die Wahl von vereinfachten Annahmen übrig lässt und damit große Ungenauigkeit in die Simulationsergebnisse einbringt. Andererseits fehlen regionale Kalibrierungs- und Validierungsdatensätze, welche zur realistischen Abbildung der Variabilität innerhalb großer Untersuchungsregionen notwendig sind.
K1 Distickstoffmonoxidemission
K1 Simulation
K1 Agrarökosystem
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2005/70