Simulation des Austrags von gelöstem organischen Kohlenstoff aus landwirtschaftlich genutzten Mineralböden:
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| Sprache: | German |
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Aachen
Helmholtz Zentrum für Umweltfoschung - UFZ
2016
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2016,2 |
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| adam_text | Titel: Simulation des Austrags von gelöstem organischen Kohlenstoff aus landwirtschaftlich genutzten Miner
Autor: Ackermann, Andrea
Jahr: 2016
Inhaltsverzeichnis
Gutachten und Disputation i
Kurzfassung iii
Abstract v
Abkürzungsverzeichnis xxiii
Formelverzeichnis xxvii
1 Stand der Forschung 1
1.1 Vorkommen und Bedeutung ........................................................I
1.2 Definition, Gewinnung und Messung................................................1
1.3 Räumliche und zeitliche Untersuchungsskalen.................. . 3
1.4 Ökosystemare und landnutzungsbezogene Fokussierung............................4
1.5 Einflussfaktoren und Prozesse ......................................................4
1.6 Modellierung........................................................................7
1.7 Bestehende Forschungsdefizite......................................................9
1.8 Zielstellung der Arbeit...............................¦ 9
2 Materialien und experimentelle Methoden 13
2.1 Untersuchungsstandorte..............................................................13
2.1.1 Lysimeterstation Falkenberg................................................13
2.1.1.1 Auswahl..........................................................13
2.1.1.2 Naturräumliche Einordnung......................................13
2.1.1.3 Lysimeteraufbaii und Nutzung ..................................14
2.1.1.4 Datensatz für die Analyse der landnutzungsspezifischen DOC-
Konzentrationen und -Austräge..................................15
2.1.1.5 Datensatz Für die Simulation der landnutzungsspezifischen DOC-
Konzentrationen und -Austräge..................................16
2.1.1.6 Datensatz Für die Analyse und Simulation der basalen DOC-
Konzentration und des-Austrags................................18
2.1.2 Untersuchungsgebiet Schäfertal............................................18
2.1.2.1 Auswahl . . .....................................................18
2.1.2.2 Naturräumliche Einordnung......................................18
2.1.2.3 Bodenmessfelder ................................................20
2.1.2.4 Methodik der temporären Probennahmen........................20
2.1.2.5 DOC-Probennahme..............................................21
2.2 Probenvorbereitung und Analytik..............................23
2.2.1 Probenvorbereitung und-Gewinnung......................................23
2.2.1.1 Gewinnung der Bodenlösung durch Zentrifugation..............23
2.2.1.2 Gewinnung von WEOC durch Boden-Wasser-Extraktion ... 24
2.2.1.3 Extraktion der organischen Düngemittel ..........................26
2.2.2 Laboranalytik.....................................26
2.2.2.1 Messung der Kohlenstoffkonzentrationen........................26
2.2.2.2 Bestimmung weiterer physiko-chemischer Parameter..........26
2.3 Datenreihenkonsistenz..............................................................26
2.3.1 Allgemeine Vorgehens weise................................................26
2.3.2 Konsistenzprüfung und Korrektur der Lysimeterzeitreihen................27
3 Ergebnisse und Diskussion der experimentellen Untersuchungen 31
3.1 DOC-Austräge der Lysimeter in Falkenberg........................................31
3.1.1 Langjährigen Nutzungsvarianten von 1994 bis 2007 ......................31
3.1.1.1 Charakterisierung des Untersuchungszeitraums..................31
3.1.1.2 Jahresdynamik im Untersuchungszeitraum......................32
3.1.1.3 Jahreszeitliche Dynamik im Untersuchungszeitraum............34
3.1.1.4 Natürliche und anthropogene Faktoren..........................35
•3.1.2 DOC-Austrag der Schwarzbrache mit Sandauflage von 2000 bis 2010 . . 40
3.1.3 Nutzungsumwandlungen von 2007 bis 2010................................42
3.1.4 Zusammenfassung..........................................................45
3.2 DOC-Tiefenprofile der Bodenmessfelder im Schäfertal............................46
3.2.1 Bodenfeuchtedynamik im Tiefenprofil und Jahresverlauf..................46
3.2.2 DOC-Konzentrationen im Tiefenprofil und Jahresverlauf..................47
3.2.3 Ereignisbezogene Veränderungen der DOC-Konzentrationen..............50
3.2.4 Korrelationen der chemischen Parameter ..................................53
3.2.5 Zusammenfassung................................................54
3.3 Vergleich der untersuchten Methoden im Schäfertal................................55
3.3.1 Mit Zentrifugation ermittelte DOC-Konzentrationen......................56
• 3.3.2 Mit Boden-Wasser-Extraktion ermittelte WEOC-Konzentrationen .... 57
3.3.3 Vergleich der DOC- und WEOC-Konzentrationen der Messfelder .... 59
3.3.4 Zusammenfassung................................................61
3.4 Organische Düngemittel ............................................................62
3.4.1 Wasserextrahierbarer organischer Kohlenstoff der organischen Düngemittel 62
3.4.2 Zusammenfassung..........................................................64
3.5 Schlussfolgerungen Für die DOC-Modellierung....................................64
4 Auswahl, Analyse und Anwendung eines DOC-Modells 67
4.1 Modellvergleich und Auswahl des DOC-Modells..................................67
4.1.1 Modell vergleich und-Auswahl......................................67
4.1.2 DOM- und SOM-Modell ANIMO Version 4.0..............................69
4.1.3 Bodenwasserhaushaltsmodell SWAP........................................70
4.2 Vorgehensweise bei der Modellanwendung ........................................71
4.2.1 Simulation des Boden Wasserhaushalts mit SWAP..........................71
4.2.2 Parametrisierung der DOM-Simulation in ANIMO........................72
4.2.3 Sensitivitätsanalyse der DOM-Simulation in ANIMO......................73
4.2.3.1 Softwareentwicklung und Vorgehen..............................73
4.2.3.2 Simulationszeitraum und Datensätze............................73
4.2.3.3 Lokale Sensitivitätsanalyse nach McCuen ......................74
4.2.3.4 Globale Sensitivitätsanalyse nach Homberger-Spear-Young . . 74
4.2.4 Kalibrierung der DOM-Simulationen in ANIMO..........................75
4.2.4.1 Kalibrierung der DOC-Austräge der Lysimeter..................75
4.2.4.2 Kalibrierung der DOC-Tiefenprofile der Messfelder............76
4.3 Entwicklung der ANIMO-Version 4.1 und des 2-Pool DOM-Moduls..............77
4.3.1 Vorgehensweise..............................................................77
4.3.2 Weiterentwicklung der Simulation von Grünland..........................77
4.3.3 Weiterentwicklung der Simulation von Ackerfruchtfolgen ................78
4.3.4 Das 1-Pool DOM-Simulationsschema......................................79
4.3.5 Entwicklung des neuen 2-Pool DOM-Moduls in ANIMO 4.1..............80
4.3.6 Zusammenfassung..........................................................82
4.4 Auswertung der Sensitivitätsanalysen von ANIMO 4.1 mit 2-Pool DOM-Modul . 83
4.4.1 Lokale Sensitivitäten bei Grünlandnutzung................................83
4.4.2 Lokale Sensitivitäten des Feldfruchtmoduls................................84
4.4.3 Globale Sensitivitäten bei Grünlandnutzung................................84
4.4.4 Zusammenfassung..........................................................86
4.5 Auswertung der Kalibrierung........................................................87
4.5.1 Ergebnisse der Kalibrierung der Lysimeter in Falkenberg..................87
4.5.2 Ergebnisse der Kalibrierung der Messfelder im Schäfertal ................89
4.5.3 Zusammenfassung..........................................................92
5 Ergebnisse und Diskussion der Modellierungen 95
5.1 Modellierung des Bodenwasserhaushalts mit SWAP................................95
5.1.1 Simulation der Sickerwasserbildung der Lysimeter..........................95
5.1.2 Simulation der Saugspannungen im Tiefenprofil der Messfelder..........99
5.1.3 Zusammenfassung..........................................................101
5.2 Modellierung der DOC-Konzentrationen mit ANIMO 4.1..........................101
5.2.1 Simulation der DOC-Konzentrationen im Sickerwasser der Lysimeter . . 101
5.2.1.1 Umwandlung von Grünland zu Schwarzbrache mit Sandauflage 101
5.2.1.2 Extensive Grünlandnutzung und Umwandlung zu Ackerbau -
LP 4..............................................................103
5.2.1.3 Extensiver Ackerbau mit Gründüngung und reduzierter Boden-
bearbeitung bis 2007 und nachfolgend weitere Extensivierung -
LP 11 ............................................................106
5.2.1.4 Extensiver Ackerbau mit Gründüngung bei regulärer Boden-
bearbeitung bis 2007, nachfolgend weitere Extensivierung und
Umwandlung zu Grünland 2009 - LP 12........................108
5.2.1.5 Ackerfruchtfolge mit Öl- und Zwischenfrüchten und Umwand-
lung zu Grünland 2008 - LP 42..................................109
5.2.1.6 Fortführung ackerbaulichen Bewirtschaftung - LP 34..........111
5.2.2 Simulierte DOC-Konzentrationen im Tiefenprofil der Messfelder .... 112
5.2.2.1 Simulation der DOC-Konzentrationen des Messfelds 1..........112
5.2.2.2 Simulation der DOC-Konzentrationen des Messfelds 2..........113
5.2.3 Zusammenfassung und Ausblick............................................115
6 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 119
Literatur 125
A Anhang 147
A.l Ergänzende Tabellen und Abbildungen..............................................147
A.. 1.1 Lysimeterdatensätze........................................................147
A.l.2 Bodenmessfelder..............................................................150
A.l.3 Messverfahren.........................................................153
A. 1.4 Analyse der Lysimeterdatensätze............................................155
A. 1.5 Auswertung der Messungen der Bodenmessfelder..........................156
A.1.6 Modelle und Modellentwicklung............................................166
A.1.7 Sensitivitätsanalysen............................ 170
A.1.8 Simulation des Bodenwasserhaushalts................... 171
A.l.9 Simulation der DOC-Konzentrationen......................................173
A.2 Methodische Analysen der Probenvorbereitungsverfahren............. 175
A.2.1 DOC-Konzentrationen in der abzentrifugierten Bodenlösung....... 175
A.2.2 WEOC-und WSOC-Konzentrationen der Boden-Wasser-Extrakte .... 176
A.2.3 Vergleich der Zentrifugation und der Boden-Wasser-Extraktion ...... 180
A.2.4 Zusammenfassung und Schlusfolgerungen................. 180
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