Assessing the effects of agricultural management practices on crop ecosystems with the LPJ-GUESS model
Creators: name: Ma, Jianyong
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Dynamic Global Vegetation Model
Conservation Agriculture
Biological Nitrogen Fixation
Soil Carbon Storage
Nitrogen Leaching
Gaseous Nitrogen Emission
Crop Production

description: In den letzten Jahrzehnten ist es weltweit zu erheblichen Verlusten an organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden gekommen, die auf die Intensivierung der Landwirtschaft und die Umwandlung natürlicher Böden in landwirtschaftliche Nutzflächen zur Ernährung der wachsenden Bevölkerung zurückzuführen sind. Die Erhöhung der SOC-Bestände in Ackerflächen durch verbesserte Bewirtschaftungspraktiken - wie die Verringerung der Bodenbearbeitung, die Ausbringung von Ernterückständen und der Anbau von Zwischenfrüchten - wurde als vielversprechende Option für die Eindämmung des Klimawandels identifiziert, mit gleichzeitigen Vorteilen für die Bodenfruchtbarkeit und die Ernteerträge. Die großflächige Quantifizierung dieser Bewirtschaftungspraktiken auf landwirtschaftliche Ökosysteme, einschließlich der Auswirkungen des Anbaus von Leguminosen, ist jedoch nach wie vor unsicher. Um die globale landwirtschaftliche Produktion besser abzubilden, integriere ich in dieser Arbeit zunächst zwei Körnerleguminosen (Sojabohne und Ackerbohne) und eine krautige Leguminose (Weißklee) mit biologischer Stickstofffixierung (BNF) in das dynamische Vegetationsmodell LPJ-GUESS. Die räumlichen und zeitlichen Muster der BNF-Raten in Sojabohnen und Ackerbohnen werden über den historischen Zeitraum 1981-2016 quantifiziert. Anschließend wird der Großflächige Einfluss alternativer Bewirtschaftungsstrategien auf die Ernteerträge und die Kohlenstoff- (C) und Stickstoff- (N) Bilanzen der Anbauflächen unter gegenwärtigen und zukünftigen Klimabedingungen untersucht, indem die Ergebnisse der aktualisierten Modellversion angewendet und analysiert werden. Die Modellsimulationen zeigen, dass die globale N-Fixierung in Sojabohnen und allen Hülsenfrüchten (die im Modell die Ackerbohne repräsentieren) im Zeitraum 1981-2016 bei 11,6±2,2 Tg N yr-1 bzw. 5,6±1,0 Tg N yr-1 beträgt. Räumlich gesehen sind die höchsten BNF-Raten in tropischen und gemäßigten Regionen mit warmem und feuchtem Klima zu finden. Die Bodenwasserverfügbarkeit und die Temperatur sind neben der N-Düngung die wichtigsten Einflussfaktoren für die N-Fixierung. Insgesamt macht die modellierte Gesamt-N-Fixierung durch Körnerleguminosen 12 % des jährlich in globalen terrestrischen Ökosystemen fixierten N aus (ca. 140 Tg N yr-1), was auf die Bedeutung des BNF-Eintrags in Ackerflächen für den globalen terrestrischen N-Kreislauf schließen lässt, obwohl ein großer Teil des fixierten N jedes Jahr durch die Ernte aus den Ökosystemen entfernt wird. Der Anbau von Leguminosen als Deckfrucht in der Zwischenseason unterscheidet sich deutlich vom reinen Anbau von Körnerleguminosen, da der in Deckfrüchten fixierte Stickstoff in der Regel in den Boden zurückgeführt wird. Unter der Annahme, dass weltweit alle Anbauflächen konservierende Landwirtschaftstechniken verwenden, ergibt sich basierend auf den Modelldaten, dass die Kombination von N-fixierenden Deckfrüchten und minimaler Bodenbearbeitung den Kohlenstoffgehalt des Bodens um 7 % (+0,32 Pg C yr-1 in den globalen Anbauflächen) erhöhen und gleichzeitig die N-Auswaschungsverluste um 41 % (-7,3 Tg N yr-1) nach 36 Jahren der Umsetzung reduzieren kann (die maximale Dauer, die in Feldversuchen mit Deckfrüchten in dieser Dissertation ermittelt wurde). Diese integrierte Praxis geht mit einem Anstieg der gesamten pflanzlichen Produktion um 2 % (+37 Millionen Tonnen pro Jahr, einschließlich Weizen, Mais, Reis und Soja) im letzten Jahrzehnt der Simulation einher. Im Vergleich zu Nicht-Leguminosen-Deckungskulturen trägt der Einsatz von N-fixierendem Deckungsanbau in den Modellexperimenten stärker zur Ertragssteigerung in den feuchten Tropen bei, während die Produktionsverluste in den nördlichen gemäßigten Klimazonen gemildert werden. Diese räumliche Variation hängt mit den Hauptkulturen und dem Stickstoffdüngereinsatz zusammen, wobei bei Sojabohnensystemen und stark gedüngten landwirtschaftlichen Böden nur geringe Ertragsveränderungen simuliert werden. Am Beispiel von Ostafrika werden Leguminosen zusammen mit sechs alternativen Bewirtschaftungsstrategien untersucht, um ihre Auswirkungen auf die Ökosysteme von Nutzpflanzen zu quantifizieren. Die regionalen Simulationen zeigen, dass die verbesserten Bewirtschaftungsmethoden, die in den tropischen Ökosystemen umgesetzt werden, den Klimawandel abmildern und gleichzeitig die Ernteerträge steigern können, insbesondere bei einer integrierten konservierenden Landwirtschaft, die alle bodenschonenden Techniken kombiniert. In den untersuchten Regionen führt diese kombinierte Strategie, die keine Bodenbearbeitung, die Ausbringung von Rückständen und Dung sowie den Anbau von Deckfrüchten umfasst, langfristig zu einer Erhöhung der simulierten SOC-Vorräte um 11 %, begleitet von einer Steigerung der gesamten Pflanzenproduktion um 25 %. Der Anbau von N-fixierenden Deckfrüchten ist ebenfalls vielversprechend, um den C-Gehalt im Ackerboden (+4 %) und die landwirtschaftliche Produktion (+16 %) zu erhöhen, wobei die Umweltkosten in Bezug auf die gesamten N-Verluste (+28 %; einschließlich gasförmiger Emissionen und N-Auswaschung) zu berücksichtigen sind. Diese Bewirtschaftungseinflüsse würden bei drei Klimaszenarien möglicherweise auch in Zukunft bestehen bleiben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, wie wichtig die Berücksichtigung von N-Fixierern bei der Bewertung großräumiger C-N-Zyklen in Systemen der konservierenden Landwirtschaft ist. Sie zeigen auch die Möglichkeit einer verbesserten landwirtschaftlichen Bewirtschaftung auf, um ökologische Nachhaltigkeit zu erreichen und die Ernährungssicherheit in globalen Anbauflächen zu gewährleisten.