Water and Nutrient Balance Model J2000-S
Das Wasser- und Stofftransportmodell J2000-S ermöglicht die Simulation des Wasser- und Stickstoffhaushaltes von Mesoskaligen Einzugsgebieten. Das Modell stellt eine Erweiterung des Modells J2000 dar mit denen es die meisten Komponenten zur Beschreibung des hydrologischen Kreislaufs teilt. Zur Beschreibung des Stickstoffhaushalts werden die zusätzlichen Komponenten Bodentemperatur, Bodenstickstoffhaushalt, Landnutzungsmanagement, Pflanzenwachstum und Grundwasserstickstoffhaushalt beschrieben werden. Weitere Module wurden für die Erfordernisse des Stickstoffhaushalts angepasst.
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Bodenstickstoffmodul
Die Beschreibung des Bodenstickstoffhaushalts erfolgt analog zu der im Modell SWAT (Arnold et al. 1998). Hierbei werden in den einzelnen Bodenhorizonten die 5 Stickstoffpools für Nitrat, Ammonium, stabile organische Substanz, aktive organische Substanz, frische Pflanzenrest Biomasse unterschieden. Die Flüsse und Transformationen zwischen den Pools und außerhalb des Bodens: Nitrifikation, Denitrifikation, Mineralisation, Volatilation, Pflanzenaufnahme und Auswaschung, werden durch empirische Beziehungen in Abhängigkeit der Bodenfeuchte und Bodentemperatur berechnet. Der Nitratfluss wird äquivalent zum Wassertransport durch ein Routingverfahren zwischen den Teilflächen und zum Vorfluter weitergegeben (vgl. Abbildung 1).
Der Stickstoffeintrag über Düngung und Bestandesabfall wird, ebenso wie der Entzug durch die Pflanzen, vom Pflanzenwachstums- und Landnutzungsmanagementmodul bereitgestellt. Die mineralischen Einträge werden dem Ammoniumpool oder direkt dem Nitratpool zugeführt. Der organische Stickstoff geht entweder in die Pools für den Bestandesabfall oder in den aktiven organischen Pool ein. Der Abbau des Bestandesabfalls geht in Abhängigkeit vom C/N-Verhältnis in Anteilen in den Nitratpool oder in den aktiven organischen Pool ein. Der aktive organische Pool steht im Gleichgewicht mit dem stabilen organischen Pool. Der Nitratpool stellt die zentrale Verteilstelle für die Austräge in Form von Auswaschung, Pflanzenaufnahme und Denitrifikation dar. Die im Modul beschriebenen Prozesse finden in verschiedenen frei parametrisierbaren Bodenhorizonten statt. Hierbei beschränken sich die Zuführung von organischer Substanz und Dünger und die Abfuhr von Stickstoff mit dem Oberflächenabfluss auf den obersten Horizont.
Abbildung 1: Struktur des Bodenstickstoffmoduls
Das hier eingesetzte Stickstoffmodul enthält einige starke Vereinfachungen. So wird keine Pflanzenaufnahme aus dem Ammoniumpool ermöglicht. Weiterhin wird die Dekomposition der organischen Substanz direkt zu Nitrat simuliert, statt den Umweg über Ammonium zu gehen. Die N-Immobilisierung von mineralischem zu organischem Stickstoff in der Bodenzone wird komplett vernachlässigt. Auch der Wassertransport von Stickstoff wird stark generalisiert abgebildet. So findet eine vollständige Durchmischung des Stickstoffs in den einzelnen Speichern statt, anstelle Advektion und Dispersion zu berücksichtigen. Die einzelnen Prozesse werden im Modell wie folgt beschrieben:
Pflanzenaufnahme
Zunächst wird der Bedarf (potentielle Pflanzenaufnahme) der Pflanze an Tag t0 ermittelt, der vom Bodenstickstoffspeicher gedeckt werden soll:
[1]
mit:
= potentielle Pflanzenaufnahme [kgN/ha]
= optimale Biomasse [kgN/ha]
= aktulelle Biomasse [kgN/ha]
Anschließend werden die Anteile der Bodenhorizonte ermittelt die innerhalb der effektiven Wurzelzone liegen. Hierbei werden die Horizonte die voll innerhalb der Wurzelzone liegen vollständig berücksichtigt (partroot = 1), während der Horizont der sind nur teilweise in der Wurzelzone befindet nur zu einem entsprechenden Anteil Berücksichtigung findet:
![partroot[i] = \frac {rootdepth - layerdepth[i - 1]}{layerdepth[i] - layerdepth[i - 1]} \!](/ilmswiki/uploads/math/9/4/9/94988578303bd534638cb5e0651802fb.png)
[2]
mit:
= Horizont [-]
= Anteil des Horizonts an der Wurzelzone [-]
= Untergrenze des Bodenhorizonts [-]
Die Verteilung der N-Aufnahme auf die einzelnen Horizonte findet in Abhängigkeit eines Kalibrationsparameters (
) statt. Hier wird zunächst die potenzielle Aufnahme für die einzelnen Horizonte berechtet:
![potNup_z[i] = \frac {potNup} {1 - \exp(-\beta_{Ndist})} \cdot \left(1 - \exp\left(-\beta_{Ndist} * \frac {layerdepth[i]} {rootdepth}\right)\right) - uptake[i-1]](/ilmswiki/uploads/math/3/7/0/3707f7d3586df91bd005046e7176d435.png)
[3]
mit:
= Horizont [-]
= Anteil des Horizonts an der Wurzelzone [-]
= Untergrenze des Bodenhorizonts [-]
= potentielle Pflanzenaufnahme [kgN/ha]
= potentielle Pflanzenaufnahme in den einzelnen Horizonten [kgN/ha]
= potentielle Pflanzenaufnahme die bereits von oben liegenden Horizonten entnommen wurde [kgN/ha]
= Verteilungssparameter der Pflanzenaufnahme; Vorgabewert = 1.0; mögliche Werte 1 - 15 [-]
Für die Berechnung der potentiellen Pflanzenaufnahme die bereits von oben liegenden Horizonten gedeckt wurde wird der folgende Zusammenhang verwendet:
![uptake = uptake + potNup_z[i] \!](/ilmswiki/uploads/math/c/9/7/c9702b635f7c1db449196a0c17994b7a.png)
[4]
= potentielle Pflanzenaufnahme in den einzelnen Horizonten [kgN/ha]
= potentielle Pflanzenaufnahme die bereits von oben liegenden Horizonten entnommen wurde [kgN/ha]
Die Berechnung eines Bedarfs erfolgt nach folgender Beziehung:
![demand = (NO_3Pool[i] \cdot partroot[i]) - potNup_z[i] \!](/ilmswiki/uploads/math/3/b/e/3beb853670497bc45c37498ec5baed42.png)
[5]
mit:
= Horizont [-]
t = Anteil des Horizonts an der Wurzelzone [-]
= Bedarf der vom Bodenstickstoffpool gedeckt werden kann [kgN/ha]
= Bodenstickstoffpool [kgN/ha]
= potentielle Pflanzenaufnahme in den einzelnen Horizonten [kgN/ha]
Ist dieser Bedarf größer 0 kann er durch den vorhandenen Bodenstickstoffspeicher gedeckt werden mit:
![NO_3Pool2[i] =
\begin{cases}
NO_3Pool1[i] - potNup_z[i] & \mathrm{f\ddot{u}r} \; \; demand >= 0 \\
NO_3Pool1[i] - (NO_3Pool1[i] \cdot partroot[i])& \mathrm{f\ddot{u}r} \; \; demand < 0
\end{cases}](/ilmswiki/uploads/math/a/3/1/a312b06a7c8f2e01cd7b524cde87eb2b.png)
und
![demand =
\begin{cases}
demand[i] = 0 & \mathrm{f\ddot{u}r}\; \; demand >= 0 \\
demand[i] = demand &\mathrm{f\ddot{u}r} \; \; demand < 0
\end{cases}](/ilmswiki/uploads/math/a/9/2/a92440f6c49c729de089ed8e1ea21283.png)
mit
= Horizont [-]
= Bedarf der vom Bodenstickstoffpool gedeckt werden kann [kgN/ha]
= Bodennitratpool vor dem Zeitschritt [kgN/ha]
= Bodennitratpool nach dem Zeitschritt [kgN/ha]
= potentielle Pflanzenaufnahme in den einzelnen Horizonten [kgN/ha]
= Anteil des Horizonts an der Wurzelzone [-]
Anschließend berechnet sich die aktuelle Pflanzenaufnahme aus der potentiellen Pflanzenaufnahme und dem über die Horizonte summierten Bedarf:
![N_{uptake} = potNup + \sum^{n}_{i=1}{demand[i]} \!](/ilmswiki/uploads/math/e/c/d/ecd12f7c1e2fb802760d78eb62419a0b.png)
[10]
mit
= Horizont [-]
= Anzahl der Horizonte innerhalb der Wurzelzone [-]
= Bedarf der vom Bodenstickstoffpool gedeckt werden kann [kgN/ha]
= potentielle Pflanzenaufnahme [kgN/ha]
= aktuelle Pflanzenaufnahme [kgN/ha]
Mit der Evaporation aufsteigendes Nitrat
Mit der Evaporationsstrom wird Bodenwasser aus tieferen Schichten in den obersten Horizont transportiert. Dies geschieht für jeden Horizont nach der Methode von SWAT in der Form:
[1]
mit
= Stickstoffmenge aus dem einzelnen Horizont, die durch Evaporation verlagert wird. [kgN/ha]
= Bodenstickstoffpool [kgN/ha]
= aktuelle Evapotranspiration des Horizonts [l]
= aktueller Grobporenspeicher des Horizonts [l]
= aktueller Mittelporenspeicher des Horizonts [l]
= Feinporenspeicher des Horizonts [l]
Transformationsprozesse im Boden
Nitrifikation und Ammonium Volatilation
Die Umsetzungsprozesse des Ammoniumpools sind in diesem Modell die Nitrifikation von Ammonium zu Nitrat und die Ammonium Volatilation. Die Kalkulation des Gesamtumsatzes des Ammoniumpools findet für die beiden Prozesse gemeinsam statt. Anschließend werden die Raten für beide Prozesse separiert. Zur Darstellung des Einflusses der Temperatur wird der folgende Koeffizient berechnet:
[1]
mit
= Bodentemperaturkoeffizient [-]
= Temperatur der Bodenschicht [°C]
Der Einfluss der Bodenfeuchte auf die Nitrifikation wird durch den Koeffizienten eta_water beschreiben:
für 
[2]
für 
[3]
mit
= Bodenfeuchtekoeffizient [-]
= maximaler Grobporenspeicher des Horizonts [l]
= maximaler Mittelporenspeicher des Horizonts [l]
= maximaler Feinporenspeicher des Horizonts [l]
= aktueller Grobporenspeicher des Horizonts [l]
= aktueller Mittelporenspeicher des Horizonts [l]
Die Abhängigkeit der Ammoniumvolatilation von der Bodentiefe wird mit der folgenden Gleichung beschrieben:
= Bodentiefekoeffizient [-]
= Untergrenze des Bodenhorizonts [cm]
Der Gesamtumsatz des Ammoniumpools errechnet sich wie folgt:
Aufgeteilt wird dieser Gesamtumsatz anschließend in:
mit
= Bodenfeuchtekoeffizient [-]
= Bodentemperaturkoeffizient [-]
= Bodentiefekoeffizient [-]
= Bodenfeuchtekoeffizient [kgN/ha]
= Gesamtumsatzes des Ammoniumpools [kgN/ha]
= Fraktion Nitrifikation [-]
= Fraktion Ammoniumvolatilation [-]
= Menge Nitrifikation [kgN/ha]
= Menge Ammoniumvolatilation [kgN/ha]
Vorberechnungen zum Einfluss der Umgebungsbedingungnen
Um den Einfluss der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte in den verschiedenen Transformationsprozessen darzustellen werden vorab für jeden Horizont die folgenden Koeffizienten berechnet:
[1]
mit
= Bodentemperaturkoeffizient [-]
= Temperatur der Bodenschicht [°C]
[2]
mit
= Bodenfeuchtekoeffizient [-]
= maximaler Grobporenspeicher des Horizonts [l]
= maximaler Mittelporenspeicher des Horizonts [l]
= maximaler Feinporenspeicher des Horizonts [l]
= aktueller Grobporenspeicher des Horizonts [l]
= aktueller Mittelporenspeicher des Horizonts [l]
Transfer zwischen den organischen Pools
Der Transfer zwischen dem aktiven und dem stabilen organischen Pool wird mit der folgenden Gleichung berechnet:
mit
= Transferrate zwischen aktiven und dem stabilen organischen Pool [kgN/ha]
= Transferkonstante zwischen aktiven und dem stabilen organischen Pool; Vorgabewert = 0.00001 [-]
= Aktiver organischer Pool [kgN/ha]
= Stabiler organischer Pool [kgN/ha]
= Fraktion des organischen Stickstoffs im aktiven organischen Pool = 0.02 [-]
Die Transferrate wird hierbei vom aktiven Pool subtrahiert währen sie zu dem stabilen Pool hinzuaddiert wird.
Mineralisierung des aktiven Pools
Der aktive Pool wird unter Auslassung der Nitrifikation direkt zu Nitrat mineralisiert. Die Rate wird hierbei wie folgt berechnet:
mit
= Transferrate zwischen aktiven organischen und dem Nitratpool [kgN/ha]
= Transferkonstante zwischen aktiven organischen und dem Nitratpool; Vorgabewert = 0.002 [-]
= Aktiver organischer Pool [kgN/ha]
= Bodenfeuchtekoeffizient [-]
= Bodentemperaturkoeffizient [-]
Die Transferrate wird hierbei vom aktiven Pool subtrahiert währen sie zu dem Nitratpool hinzuaddiert wird.
Dynamik der Residuenpools
Die Dynamik des Abbaus frischer organischer Substanz (Residuen) aus Pflanzenresten und organischem Dünger erfolgt nur im obersten Bodenhorizont. Die Residuen werden hierbei in zwei Pools aufgeteilt, der Erste repräsentiert die Biomasse als ganzes und der Zweite den Stickstoffanteil der Residuen. Die Zufuhr zu den Residuenpools erfolgt über Pflanzenreste nach der Ernte und über die organische Düngung mit Hilfe der folgenden Gleichungen:
mit
= Residuenpool [kg/ha]
= Zugeführte Biomasse [kg/ha]
= Über organische Düngung zugeführter Stickstoff [kgN/ha]
= Stickstoffanteil des Residuenpools [kgN/ha]
Der Abbau des Residuenpools findet in Abhängigkeit des Kohlenstoff- Stickstoffverhältnisses (C/N-Verhältnis) statt. Die Berechnung des C/N-Verhältnisses erfolgt wie in der nachstehenden Gleichung angegeben.
mit
= C/N-Verhältnis [-]
= Residuenabbaufaktor [-]
= Residuenpool [kg/ha]
= Nitratpool [kgN/ha]
= Stickstoffanteil des Residuenpools [kgN/ha]
Aus γntr, γwater, γtemp rechnet sich die Abbaukonstante des Residuenpools:
mit
= Konstante der Rate des Residuenabbaus [-]
= Residuenabbaufaktor [-]
= Residuenabbaukoeffizient; Vorgabewert = 0.05 [-]
= Bodenfeuchtekoeffizient [-]
= Bodentemperaturkoeffizient [-]
Der Abbau des Residuenpools erfolgt anhand der Konstante der Rate des Residuenabbaus. Dabei wird der Stickstoffteil auf den aktiven organischen Pool, im Sinne einer Humifizierung und den Nitratpool im Sinne einer Mineralisierung, im Verhätnis 20 zu 80% aufgeteilt:
mit
= Konstante der Rate des Residuenabbaus [-]
= Residuenpool vor dem Zeitschritt [kgN/ha]
= Residuenpool nach dem Zeitschritt [kgN/ha]
= Aktiver organischer Pool vor dem Zeitschritt [kgN/ha]
= Aktiver organischer Pool nach dem Zeitschritt [kgN/ha]
= Bodennitratpool vor dem Zeitschritt [kgN/ha]
= Bodennitratpool nach dem Zeitschritt [kgN/ha]
= Stickstoffanteil des Residuenpools vor dem Zeitschritt [kgN/ha]
= Stickstoffanteil des Residuenpools nach dem Zeitschritt [kgN/ha]
Denitrifikation
Denitrifikation findet statt wenn der Boden sich in einem nahezu wassergesättigten Zustand befindet. Die Rate ist dabei abhängig von dem Gehalt an organischem Kohlenstoff im Boden und der Bodentemperatur. Abweichend von SWAT (0,95) liegt der Grad der Wassersättigung bei dem Denitrifikation stattfindet mit 0,91 niedriger. Dies ist dadurch begründet, Dass SWAT die Luftkapazität des Bodens im Gegensatz zu J2000 nicht berücksichtigt und somit in J2000 das zu Grunde liegende Porenvolumen, bei der Berechnung der Wassersättigung größer ist. Es wird weiterhin sichergestellt, dass die Rate höchstens 1 kgN/ha*d beträgt, da höhere Raten im Freiland nicht zu erwarten sind.
mit
= Bodennitratpool [kgN/ha]
= Denitrifikationsrate [kgN/ha]
= Bodenfeuchtekoeffizient [-]
= Bodentemperaturkoeffizient [-]
= Denitrifikationskoeffizient; Vorgabewert = 0.91 [-]
Stofftransport mit der Wasserbewegung im Boden
Stickstoffkonzentration des mobilen Wassers
Für die Simulation des Stofftransports mit der Wasserbewegung wird zunächst die Stickstoffkonzentration des mobilen Wassers bestimmt. Hierbei wird vereinfachend angenommen, dass ausschließlich der Stickstoff des Nitratpools mobil ist und somit in die Berechnung eingeht. Die Wassermenge bestimmt sich aus den Bodenspeichern und den den Horizont verlassenden Wasserflüssen.
mit
= Bodennitratpool [kgN/ha]
= Bodenwassergehalt [mm]
= Menge an Mobilem Wasser [mm]
= Perkolationskoeffizient; Vorgabewert = 0.2 [-]
= Oberflächenabfluss [mm]
= Interflow [mm]
= Perkolation in tieferen Horizont bzw. Grundwasser [mm]
= Infiltrations Wasser, dass in einem Zeitschritt in tiefere Schichten vordringt und somit den aktuellen Horizont "bypasst" [mm]
= Wasser, dass durch Diffusion den Horizont verlässt [mm]
= Fraktion des Porenvolumens von dem Anionen ausgeschlossen sind (durch positiven Ladungsüberschuss der Tonminerale); Vorgabewert = 0.05 [-]
= Stickstoffkonzentration des mobilen Wassers [kgN/ha*mm]
Das der Einfluss des Infiltrations Wassers, dass dass in einem Zeitschritt in tiefere Schichten vordringt wird mit Hilfe eines Parameters (
) wie folgt bestimmt. Dabei repräsentiert dieser Parameter in wie weit das "Bypasswasser" mit der Bodenmatrix interagiert oder in Makroporen an den durchflossenen Schichten vorbeifliest.
![hor_{by_{infilt}}[i-1] = \sum^{n}_{i}{hor_{by_{infilt}}} * infil_{conc_{factor}} \!](/ilmswiki/uploads/math/2/9/5/29521387268f9a1f06a8919346e9fc41.png)
mit
= Infiltrations Wasser, dass in einem Zeitschritt in tiefere Schichten vordringt und somit den aktuellen Horizont "bypasst" [mm]
= Bypassparameter [mm]
= Aktueller Horizont [-]
= Anzahl der Horizonte [-]
Stickstofftransport in den Abflusskomponenten
Basierend auf der Stickstoffkonzentration des mobilen Wassers werden für die einzelnen Horizonte die Stickstofffrachten für die Abflusskomponenten berechnet. Hierbei wird der Interflow in allen Horizonten und der Oberflächenabfluss nur im obersten Horizont berücksichtigt, während die Perkolation immer in den tiefer gelegenen Horizont bzw. in die Grundwasserspeicher erfolgt.
mit
= Stickstoffkonzentration des mobilen Wassers [kgN/ha*mm]
= Infiltrations Wasser, dass in einem Zeitschritt in tiefere Schichten vordringt und somit den aktuellen Horizont "bypasst" [mm]
= Stickstoff im Oberflächenabfluss [kgN/ha]
= Stickstoff im Interflow [kgN/ha]
= Stickstoff im Perkolationswasser [kgN/ha]
= Oberflächenabfluss [mm]
= Interflow [mm]
= Perkolation [mm]
= Percolationskoeffizient [-]
Der Perkolationskoeffizient stellt dabei ein Maß für die Interaktion des Oberflächenabfluss mit der Bodenmatrix des obersten Horizontes dar und Bestimmt somit den Stickstoffgehalt des Oberflächenabflusses.
Der Stoff der mit dem Diffusionswasser den Horizont verlässt wird wie folgt berechnet. Als Diffusion wird dabei die Wasserbewegung bezeichnet die aufgrund von Potentialgradienten oberhalb der Feldkapazität stattfindet. Ein negativer Wert für das Diffusionswasser bedeutet hierbei eine absteigende Wasserbewegung während ein positiver Wert eine aufsteigende Wasserbewegung repräsentiert.
![diffoutN =
\begin{cases}
w_{l_{diff}}[i] * ConcN_{mobile}[i] & \mathrm{f\ddot{u}r} \; \; w_{l_{diff}} < 0 \\
w_{l_{diff}}[i] * ConcN_{mobile}[i+1] & \mathrm{f\ddot{u}r} \; \; w_{l_{diff}} < 0
\end{cases}](/ilmswiki/uploads/math/5/2/d/52d8953e30a1b04c6d9dd799c9a047e4.png)
und
![NO_3Pool[i] = NO_3Pool[i] + diffoutN \!](/ilmswiki/uploads/math/7/b/5/7b57cb1ca33cde9ac1002c2b7af7788c.png)
und
![NO_3Pool[i+1] = NO_3Pool[i+1] - diffoutN \!](/ilmswiki/uploads/math/8/d/a/8da310efcecc92e2ec1b314ec8d885d8.png)
mit
= Stickstoffkonzentration des mobilen Wassers [kgN/ha*mm]
= Stickstoff im Diffussionswasser [kgN/ha]
= Bodennitratpool [kgN/ha]
= Diffussionswasser [mm]
= Bodenhorizont [kgN/ha]
Bodentemperaturmodul
Für die Stoffhaushaltsmodellierung ist die Bodentemperatur eine bedeutende Steuergröße. Insbesondere mikrobiologische Prozesse wie Nitrifikation, Denitrifikation und Umsetzung von organischem Stickstoff in der Bodenzone werden stark von der vorherrschenden Temperatur beeinflusst. Auch in dem hier erstellten Modell J2K-S spielt die Bodentemperatur bei der Berechnung der folgenden Prozesse eine Rolle (vgl. Bodenstickstoffmodul):
• Nitrifikation
• Volatilation
• Umsetzung organischer Substanz
• Abbau von Pflanzenresten
• Denitrifikation
Aufbau des Moduls
Die Bodentemperatur wird in Anlehnung an die empirischen Routinen von SWAT (Arnold et al. 1998) und EPIC (Williams et al. 1984) simuliert. Zunächst wird aus der Lufttemperatur und der Einstrahlung eine Bodenoberflächentemperatur für unbewachsenen Boden ermittelt. Diese Oberflächentemperatur wird durch Dämpfungsfaktoren, die die Wirkung von Biomasse und Schnee beschreiben, modifiziert. Die Temperatur der verschiedenen Bodenhorizonte wird zwischen der Bodenoberflächentemperatur als obere Randbedingung und der langjährigen mittleren Temperatur als untere Randbedingung ermittelt. Hierbei wird die Dämpfungswirkung des Bodens unter Berücksichtigung der Bodenfeuchte und der Lagerungsdichte bestimmt. Die Gleichungen für die einzelnen Prozesse finden sich bei Neitsch et al. (2002).
Abbildung 1: Struktur des Bodentemperaturmoduls
Abbildung 2: Ergebnisse der Bodentemperaturmodellierung für die Bodenoberfläche und in 40 cm Tiefe an einem Testhang bei Zeulenroda (Thüringen).
Die Abbildung zeigt die gemessene und modellierte Temperatur an der Bodenoberfläche (oberes Bild) sowie in 40 cm Tiefe (unteres Bild) für ein Testfeld in der nähe der Talsperre Zeulenroda. Es ist erkennbar, dass trotz gewisser Abweichungen der Temperaturverlauf gut nachvollzogen wird. Dies wird durch die hohen Bestimmtheitsmaße von rund 0.95 noch unterstrichen.
Pflanzenwachstumsmodul
Die Beschreibung zur Simulation des Pflanzenwachstums ist für eine Vielzahl von hydrologischen und Stofftransport-Prozessen wichtig, wie z.B. für die Interzeption oder die Stickstoffaufnahme durch den Pflanzenbestand. Das Pflanzenwachstum wird prinzipiell über die Simulation der Blattflächenentwicklung (LAI), der Lichtinterzeption und der Transformation in Biomasse gesteuert und erfolgt in Anlehnung an SWAT (Arnold et al. 1998). Dabei wird zunächst von einem potenziellen, d.h. unter optimalen Bedingungen vorliegenden, Pflanzenwachstum ausgegangen, welches unter Einbeziehung von Stressfaktoren modifiziert wird.
Temperaturentwicklung und Wärmesummen
Wichtigster Faktor für die Entwicklung des Pflanzenbestandes ist die Temperatur, deren Kennwerte für jede Pflanze unterschiedlich sind. Daher verfügt jede Pflanze über eine eigene Basistemperatur, die erreicht werden muss, um ein entsprechendes Wachstum auszulösen. Das Wachstum erhöht sich über die Optimumtemperatur bis es beim Überschreiten der Maximaltemperatur deutlich eingeschränkt wird.
Der pflanzenspezifische Wachstumsverlauf erfolgt über die Generierung der Wärmesummen (‚heat units = HU’). Die zugrunde liegende Hypothese hierfür beruht auf der Annahme, dass Pflanzen einen spezifischen Wärmebedarf haben, der bis zum Erreichen des Erntezustands quantifizierbar ist. Eine ‚HU’ ist als eine phänologisch wirksame Temperatureinheit definiert. Sie ergibt sich aus der täglich akkumulierten Tagesdurchschnittstemperatur, die oberhalb der pflanzenspezifischen Basistemperatur liegt. Besitzt eine Maispflanze z.B. eine Basistemperatur von 7° C und unterliegt einer Tagestemperatur von 15° C, so ergeben sich für diesen Fall 15 – 7 = 8 HU's. Auf diese Weise werden, unter Bekanntgabe der Aussaat- und Erntezeitpunkte sowie der täglichen Mittelwertstemperaturen, die individuellen Wärmesummenentwicklungen für jede Landnutzungsart simuliert. Anhand der Wärmesummenentwicklung wird der Entwicklungsverlauf des Wurzelwachstums und des Blattflächenindex gesteuert. Hierbei wird vereinfachend davon ausgegangen, dass die Pflanzen zunächst ihre Enregie in die Blattentwicklung und das Wurzelwachstum investieren. Diese Vereinfachung bedeutet auch, dass die Entwicklung von Blättern und Wurzeln unabhängig von der Wasser- und Nährstoffversorgung simuliert wird. Weiterhin wird der Reifegrad der Pflanze, der den maximalen Stickstoffgehalt in der Biomasse beeinflusst, ausschließlich über die Temperatursumme gesteuert.
Biomasseentwicklung
Die Biomasseentwicklung selbst wird zunächst als potenzielle Biomasse simuliert. Steuernde Größe für die Biomasseentwicklung ist hierbei die photosyntetisch wirksame Strahlung. So wird für jeden Tag anhand der Strahlung und der Blattfläche ein potenzieller Biomassezuwachs ermittelt (vgl. Abbildung 1).
Abbildung 1: Aufbau des Pflanzenwachstumsmoduls
Dieser tägliche Biomassezuwachs wird anhand von Stressfaktoren auf den aktuellen Biomassezuwachs reduziert. Die Stressfaktoren sind hierbei Stickstoffversorgung, Temperatur und Wasserversorgung (vgl. Abbildung 2).
Abbildung 2: Aufbau des Wachstumsstresses
Der zu einem Punkt in Raum und Zeit am stärksten wirkende Stressfaktor bestimmt, nach dem Prinzip der limitierenden Faktoren, die aktuelle Biomasseentwicklung. Dies hat wiederum eine Rückwirkung auf den Stickstoffbedarf.
Landnutzungsmanagementmodul
Die Beschreibung des Landnutzungsmanagements erfolgt in Anlehnung an die Methodik im Modell SWAT (Arnold et al. 1998). Das Landnutzungsmanagementmodul realisiert die Möglichkeit komplexe Fruchtfolgen in J2k-S darzustellen. Ausgehend von Managementoperationen wie Aussaat, Düngung und Ernte werden einzele Feldfrüchte charakterisiert. Wie in Abbildung 1 dargestellt, bezieht sich die Fruchtfolge auf eine aktuelle Pflanze, die sich wiederum aus den Pflanzenparametern und den einzelnen Managementoptionen zusammensetzt.
Bild:Pflanzenmanagementmodul1.jpg
Abbildung 1: Funktionsschema des Landnutzungsmanagementmoduls
Die grundlegenden Bausteine (Basisobjekte) zur Beschreibung des Landnutzungsmanagements sind Bodenbearbeitung (bisher noch ohne Funktion), Düngung, Pflanzeneigenschaften und die Fruchtfolge selbst. Während die Managementoptionen Bodenbearbeitung und Düngung mit einfachen Parametern wie Durchmischungseffizienz, Bearbeitungstiefe, Düngemenge, Ammonium- und Nitratanteil auskommen, ist das Pflanzenobjekt mit zahlreichen Parametern versehen. Die Fruchtfolge ist dann nur noch eine einfache Liste mit der Reihenfolge der einzelnen Feldfrüchte (vgl. Abbildung 2).
Bild:Pflanzenmanagementmodul2.jpg
Abbildung 2: Grundlegenden Bausteine (Basisobjekte)
Zur Erläuterung ist in Abbildung 3 ein Ausschnitt einer Managementparameterdatei dargestellt. In der ersten Zeile findet sich eine Bodenbearbeitungsmaßnahme. Darauf folgt die Aussaat des im Beispiel verwendeten Maises. Es finden weiterhin 3 Düngemaßnahmen mit verschiedenen Düngern statt. Weiterhin ist die Ernte mit dem geernteten Anteil der Biomasse angegeben. Der Rest verbleibt auf dem Feld und wird dem Residuen-Pool im Bodenstickstoffmodul zugeführt. Zum Abschluss findet in diesem Beispiel noch eine Bodenbearbeitung statt.
Bild:Pflanzenwaschtumsmodul4.jpg
Abbildung 3: Aufbau einer Managementparameterdatei
Mit diesem Modul ist es möglich, die wesentlichen Tätigkeiten des pflanzenbaulichen Management flexibel abzubilden und Managementalternativen darzustellen.
Grundwasserstickstoffmodul
Die Beschreibung der Dynamik des Stickstoffes im Grundwasser wird in Anlehnung an die in J2k verwendete Grundwasserdynamik durchgeführt. Hierbei wird die Stofffracht entsprechend der Verteilung des Wassers auf die beiden Grundwasserspeicher RG1 und RG2 aufgeteilt. Es werden für beide Grundwasserspeicher getrennt die Wasser- und Stoffgehalte ermittelt. Die Abgabe erfolgt analog zum Wasser und den ermittelten Gehalten. Es ist möglich eine Anfangsstickstoffkonzentration vorzugeben.
Auserdem wurde noch ein Dämpfungsfaktor implementiert, der die Änderung der Stickstoffgehalte im Speicher verzögert. Dieser, zur Kalibration verwendbare Faktor, ist für beide Grundwasserspeicher getrennt einstellbar. Er repräsentiert Durchmischungs- und Diffusionseffekte im Grundwasserleiter.
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