7.1 Das C/N-Modell im Überblick
7.2 Kohlenstoff- und Stickstoffeintrag
7.3 Kohlenstoff- und Stickstoffumsatz im Boden
7.4 Stickstofftransport im Boden
7.5 Stickstoffaufnahme durch die Vegetation

Die Simulation der Kohlenstoff-/Stickstoffdynamik des Bodens umfasst den biochemischen Umsatz im Boden und die Verlagerung der löslichen Komponenten mit der Bodenlösung. Sie ist eng an die Vegetationsmodellierung (Kap. 4) gekoppelt, welche die Stickstoffaufnahme und die Nachlieferungen toter organischer Substanz durch die Vegetation simuliert.

Im PSCN-Modul wird hierfür das ursprünglich für Waldstandorte entwickelte und in 4C implementierte Bodenmodell des Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalts (Suckow et al., 2001) aufgerufen, wobei sowohl auf Seiten des Vegetationsmodells für landwirtschaftliche Kulturen (VEGEN, Kap. 4.4) als auch auf Seiten des Bodenmodells entsprechende Anpassungen vorgenommen werden mussten, um dieses C/N-Modell auch für Nichtwaldflächen nutzen zu können.

Im Modell wird zwischen primärer organischer Substanz (POM) in mehreren Fraktionen, dem Humus (aktive organische Substanz AOM) und dem mineralisierten Stickstoff in Form von Ammonium und Nitrat unterschieden. Mineralisierung, Nitrifizierung, Pflanzenaufnahme und Transport werden für jede einzelne Bodenschicht in Abhängigkeit von Bodenfeuchte, Bodentemperatur, pH-Wert und den Entzugsansprüchen durch die Vegetation berechnet (s. Abb. 7‑1).

Abb. 7‑1: Modellierung des Stickstoffkreislaufes innerhalb des Bodenmodells

Die in der Streu (Nadeln, Blätter, Zweige) und den abgestorbenen Stämmen enthaltenen Kohlenstoff- und Stickstoffmengen werden den jeweiligen N_POM– and C_POM-Pools der ersten Bodenschicht zugeordnet. In der gleichen Weise werden die in den abgestorbenen Fein- und Grobwurzeln enthaltenen C/N-Mengen den POM-Pools der jeweiligen Bodenschicht hinzugefügt. Es wird ein konstanter Kohlenstoffgehalt in der toten Biomasse von 50% angenommen. Jeder dieser POM-Pools ist durch einen (Frucht-/Baum-)artspezifischen Parametersatz charakterisiert (Stickstoffanteil, Umsatzkoeffizient k_POM und Synthesekoeffizient k_syn).

Als atmosphärischer Eintrag wird die Nassdeposition von Nitrat und Ammonium berücksichtigt, die zu einer Erhöhung der mineralischen Pools N_NH4 and N_NO3 auf der Bodenoberfläche führt.

Bei landwirtschaftlich genutzten Standorten werden Düngergaben in Form von mineralischem Stickstoff berücksichtigt. Diese werden zu gleichen Teilen in die oberste Schicht bzw. auf die Oberfläche aufgebracht.

Stickstoff auf der Bodenoberfläche wird mit dem Niederschlag in den Boden eingewaschen. Dabei werden sowohl Makroporen- als auch Matrixinfiltration berücksichtigt (Kapitel 5.2 und 5.3). Tritt Oberflächenabfluss auf, so erfolgt eine proportionale Abwaschung des noch auf der Oberfläche befindlichen Stickstoffs und ein Eintrag in den nächsten Vorfluter.

Der Umsatz zwischen den einzelnen C/N-Bindungsformen (Abb. 7‑2) wird durch eine Kinetik erster Ordnung beschrieben (Chertov and Komarov, 1997; Franko, 1990; Parton et al., 1987). Die Umsatzgeschwindigkeit wird durch reaktionsspezifische Umsatzkoeffizienten bestimmt.

Abb. 7‑2: Modell des Kohlenstoff-Stickstoff-Umsatzes mit den Reaktionskoeffizienten k₁+k₂ = k*₁+k*₂ = k_POM für die Primärsubstanz, k_AOM für die aktive organische Substanz, den entsprechenden C/N-Verhält­nissen Q_POM bzw. Q_AOM und der Nitrifikationskonstante k_nit

Der dominante Prozess ist die C-Mineralisierung, welcher die Energie für den gesamten Umsatz der organischen Substanz liefert. Entsprechend des obigen Konzeptes ergibt sich die Änderung der Kohlenstoffmenge in der organischen Primärsubstanz POM wie folgt:

 

mit dem Reaktionskoeffizienten k_POM = k*₁+k*₂ (s. Abb. 7‑2). Die Reduktionsfunktion R_min repräsentiert den Einfluss von Wassergehalt, Bodentemperatur und pH-Wert auf den Mineralisierungsprozess (Franko, 1990; Kartschall et al., 1990).

Die Transformation der organischen Primärsubstanz C_POM(z,t) in aktive organische Substanz C_AOM(z,t) wird durch den Reaktionskoeffizienten k*₁ = k_syn · k_POM beschrieben, der als Produkt aus dem substratabhängigen Humussynthesekoeffizienten k_syn und dem Zersetzungskoeffizienten der POM berechnet wird. Der Übergang von Kohlenstoff in aktive organische Substanz wird bestimmt vom neu synthetisierten Anteil und der Menge, die zur Mineralisierung benötigt wird:

Wie viel Stickstoff in die aktive organische Substanz eingelagert wird, und wie viel mineralisiert wird, hängt vom C/N-Verhältnis der beiden organischen Fraktionen und dem Kohlenstoffbedarf der Humussynthese ab. Die Nettomineralisierung von Stickstoff aus der organischen Primärsubstanz ist analog zu Gl. (56). Der Stickstoffumsatz in der aktiven organischen Substanz verläuft ähnlich wie der Kohlenstoffumsatz, wobei das C/N-Verhältnis beider organischen Fraktionen Q_POM und Q_AOM den Synthesekoeffizient k_syn zu k^Q_syn modifiziert (Kartschall et al., 1990).

Außerdem wird die Veränderung des Ammonium- (N_NH4) und Nitrat-Stickstoffs (N_NO3) betrachtet. Somit wird der Stickstoff-Nettoumsatz durch das folgende System von Differentialgleichungen (Klöcking, 1991) für jede Bodenschicht beschrieben.

 

Das Differentialgleichungssystem (59)-(62) mit den entsprechenden Anfangswerten wird mittels der Laplace-Transformation gelöst. Die optimalen Reaktionskoeffizienten dieser Prozesse können auf der Basis von Literaturangaben (s. Klöcking et al., 2007) durch Parameteroptimierung angepasst werden.

Analog zum Kohlenstoffumsatz erfolgt auch hier eine Reduktion der Mineralisierung und Nitrifizierung durch die Reduktionsfunktionen R_min(z,t) bzw. R_nit(z,t). Durch sie wird der Einfluss von Umweltbedingungen (Feuchte, Temperatur, pH-Wert) auf die Mineralisierung und die Nitrifizierung (Franko, 1990; Kartschall et al., 1990) beschrieben. Jede Einflusskomponente wird durch eine Einzelfunktion beschrieben, deren Produkt die gesamte Reduktionsfunktion ergibt:

R^θ_min/nit(θ) Feuchte-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung bzw. der Nitrifizierung
R^BT_min/nit(BT) Bodentemperatur-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung bzw. der Nitrifizierung
R^pH_min/nit(pH) pH-Wert-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung bzw. der Nitrifizierung

Die Mineralisierung wird verzögert, wenn die Bodenfeuchte Werte von weniger als der Hälfte des Wassergehaltes bei Feldkapazität annimmt. Die Reduzierung der Nitrifizierung durch Trockenheit erfolgt ähnlich wie für die Mineralisierung, wobei jedoch auch eine Verminderung bei hohen Wassergehalten durch Sauerstoffmangel berücksichtigt wird (Abb. 7‑3).

Abb. 7‑3: Feuchte-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung R^θ_min(θ) und der Nitrifizierung R^θ_nit(θ) in Abhängigkeit vom Verhältnis der aktuellen Bodenfeuchte zum Gesamtporenvolumen GPV

Der Einfluss der Bodentemperatur (BT) auf die Umsatzgeschwindigkeit wird nach Stanford et al. (1973) beschrieben. Dabei wird als optimale Temperatur für die Mineralisierung 35 °C und für die Nitrifizierung 25 °C angenommen (Abb. 7‑4).

Abb. 7‑4: Temperatur-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung R^BT_min(BT) und der Nitrifizierung R^BT_nit(BT) in Abhängigkeit von der aktuellen Bodentemperatur BT

Außerdem werden Mineralisierung und Nitrifizierung durch ein saures Bodenmilieu gehemmt. Der Einfluss des pH-Wertes wird durch Stufenfunktionen (Abb. 7‑5) beschrieben. Der pH-Wert wirkt sich besonders stark auf die Nitrifizierung aus. Unterhalb eines pH-Wertes von 3 kommt die Nitrifizierung zum Erliegen. Optimale Nitrifizierungsbedingungen werden oberhalb eines pH-Wertes von 6 angenommen.

Abb. 7‑5: Säure-Reduktionsfunktionen der Mineralisierung und der Nitrifizierung in Abhängigkeit vom pH-Wert

Der Transport und die Pflanzenaufnahme U_N von löslichen chemischen Substanzen erfolgen gekoppelt an die Bodenwasserbewegung und werden für jede Bodenschicht betrachtet. Der Transport von organischen Verbindungen wird nicht berücksichtigt, da ihr Flux vernachlässigbar klein im Vergleich zu ihrer Gesamtmenge im Boden ist. Da Ammonium und Nitrat z.T. eng an die Bodenmatrix gebunden sind, wird nicht die gesamte Menge als frei beweglich angesehen. Die Mengen des mit den einzelnen Abflusskomponenten Pⁱ aus der jeweiligen Bodenschicht transportierten Ammonium- bzw. Nitrat-Stickstoffs N^j werden wie folgt berechnet:

n^j Fraktion des mobilen Ammonium-N bzw. Nitrat-N
Pⁱ Wasserabflusskomponente i aus der Schicht (P^g, P^h, P^d) [mm]
E_TR Transpirationsentzug [mm]
ΘWassergehalt [mm]

Als Abflusskomponenten P_i werden die Perkolation P^g, der hypodermische Abfluss P^h und der Drain­abfluss P^d berücksichtigt.

Ähnlich wie beim Stickstofftransport ist die Stickstoffaufnahme an den Wasserstrom gekoppelt. Im Gegensatz zum Transport steht aber der gesamte, als Ammonium oder Nitrat vorliegende Stickstoff N zur Verfügung, da die Pflanzen auch den an die Bodenmatrix gebundenen Stickstoff aktiv aufnehmen können. Es wird angenommen, dass keine der Verbindungen bevorzugt durch die Pflanzen aufgenommen wird. Die Stickstoffaufnahme U_N aus den durchwurzelten Bodenschichten wird wie folgt berechnet:

U_N Stickstoffaufnahme [kg/ha]
E_TR Transpirationsentzug [mm]
Θ Wassergehalt [mm]