Modellierung der Auswirkungen von unterschiedlichen mineralischen und organischen Düngergaben auf Erträge und Umwelt in betriebstypischen Anbausystemen ausgewählter Regionen von NRW

Abstract

Das Forschungsvorhaben „Modellierung der Auswirkungen von unterschiedlichen mineralischen und organischen Düngergaben auf Erträge und Umwelt in betriebstypischen Anbausystemen ausgewählter Regionen von NRW“ war Teil des Clusterprojektes „Skalenübergreifende Modellierung von Änderungen der Agrarstruktur und landwirtschaftlichen Stoffflüssen in Regionen von Nordrhein- Westfalen“. Anlass für das Clusterprojekt war die im Juni 2017 verabschiedete, überarbeitete Düngeverordnung DüV2017 (BMEL, 2017) nach einem mehrjährigen Novellierungsprozess der DüV2007. Ziel des Clusters war die gekoppelte Simulation und Analyse von Nährstoffflüssen auf Ebene des Pflanzenbestandes (Teilprojekt TP1), des landwirtschaftlichen Betriebes (Teilprojekt TP2) und der Region unter expliziter Betrachtung des Nährstoffaustausches zwischen typischen landwirtschaftlichen Betrieben (Teilprojekt TP3). Ziel des Teilprojektes TP1 („Modellierung der Auswirkungen von unterschiedlichen mineralischen und organischen Düngergaben auf Erträge und Umwelt in betriebstypischen Anbausystemen ausgewählter Regionen von NRW “) war die Abschätzung von standortspezifischen Nährstoffflüssen in betriebstypischen Anbausystemen der Boden- Klima -Regionen Nordrhein- Westfalens mit Hilfe der Modellplattform SIMPLACE (Scientific Impact Assessment and Modelling Platform for Advanced Crop and Ecosystem Management). Gemeinsam mit Teilprojekt TP2 wurden in jeder Boden -Klima -Region Betriebe mit typischer betriebswirtschaftlicher Ausrichtung und einer betriebstypischen Fruchtfolge definiert, um eine konsistente Modellierung von Erträgen und Nährstoffflüssen auf der Standort - und Betriebsebene zu erreichen. Außerdem wurden gemeinsam mit TP2 108 Düngeszenarien für jede Fruchtart bzw. Fruchtfolge definiert. In der Modellplattform SIMPLACE wurde eine komplexe Modell -Solution entwickelt, die in der Lage ist alle 108 Düngeszenarien in Kombination mit allen Fruchtfolgen auf drei Standorten in jeder Boden- Klima -Region zu rechnen. Bei den drei Standorten handelte es sich um die drei jeweils flachenmäßig bedeutendsten Ackerböden. Dies führte zu mehr als 3.000.000 Simulationsläufen über eine Periode von 26 Simulationsjahren (18 Jahre Spin-up Phase und 8 Jahre Auswertungsphase). Für die große Anzahl an Simulationen wurde der Rechner -Cluster des Lehrstuhls für Pflanzenbau verwendet. Die Simulationsergebnisse wurden für TP2 über alle drei Standorte einer Boden -Klima -Region aggregiert. In diesem Bericht werden beispielhaft die Simulationsergebnisse der drei Standorte (Norm -Parabraunerde, Pseudogley -Parabraunerde und Gley -Parabraunerde) in der Region 141 (Börde/Niederungslagen) für zwei Fruchtfolgen (Winterweizen- Wintergerste -Zuckerrüben bzw. Winterweizen -Silomais -Silomais) vorgestellt. Die mittleren simulierten Erträge über 9 Jahre stiegen für alle betrachteten Fruchtarten mit steigenden Stickstoffmengen bis zu einem Höchstertrag an, wobei der Höchstertrag von der Fruchtart und dem einzelnen Standort in den Boden-Klima-Regionen abhängt. Beispielsweise waren die Erträge von Winterweizen, Zuckerrüben, und Silomais in der Region 141 auf der Norm -Parabraunerde immer höher als auf den beiden anderen Ackerstandorten (Pseudogley -Parabraunerde und Gley -Parabraunerde). Die Stickstoffausswaschungsraten waren auf der Norm -Parabraunerde bei vergleichbaren Gesamtstickstoffgaben und Stickstoffformen hingegen geringer, was sich durch die höheren Stickstoffentzüge erklären ließ. Im Vergleich der mittleren simulierten Stickstoffauswaschungsraten auf den 27 Standorte der neun Boden -Klima -Regionen wurden die höchsten Auswaschungsraten (gemittelt über alle 108 Düngeszenarien) in den Reg ionen 146 (Südliche Lüneburger Heide/sandige Böden), 147 (Mittleres Niedersachsen/leichte Lehmböden) und 191 (Teutoburger Wald) gefunden. Sehr hohe Auswaschungsraten waren mit den Bodentypen Gley und Gley-Podsol (Region 146), Podsol-Gley und Gley (Region 147) und Braunerde und Podsol-Gley (Region 191), die, außer dem Gley in der Region 147, durch sandige Unterböden charakterisiert waren. Vergleicht man die simulierten Auswaschungsraten gemittelt über alle Standorte und Düngeszenarien für die einzelnen Fruch tarten, waren die Auswaschungsraten und der Anteil des ausgewaschenen Stickstoffs an der Gesamtstick- stoffgabe bei Winterraps und Zuckerrüben am höchsten. Wenn man nur über die Düngeszenarien mittelt, die vom ökonomischen Betriebsmodell FARMDyn (Teilprojekt TP2) als optimal ausgewählt wurden, also bei „betriebsüblicher Düngung“, waren die absoluten Auswaschungsraten bedeutend niedriger, und lagen im Schnitt bei 40 bis 60 kg N ha -1 und a -1. Auch in diesem Fall hatte der Winterraps die höchsten Auswaschungsrat en (> 60 kg N ha a -1) gefolgt von Zuckerrüben, Triticale und Corn-Cob-Mix. Abschließend wurde beispielhaft die agronomische Düngeeffizienz für die o.g. Fruchtfolgen und Fruchtarten in der Region 141 als das Verhältnis zwischen Masse des Ernteguts und eingesetzter Gesamtstickstoffmenge berechnet. Im Vergleich der drei Ackerstandort in der Region 141, hatte die Norm -Parabraunerde bei vergleichbaren Gesamtstickstoffgaben die höchste agronomische Düngeeffizienz bei allen drei betrachteten Fruchtarten unabhängig von der Art der Stickstoffform (vorwiegend mineralisch oder organisch). Die Simulationsergebnisse (Ertragsfunktionen in Abhängigkeit von Stickstoffmenge, -form und -ausbringungszeitpunkt sowie Auswaschungsraten pro Fruchtart in den betriebstypischen Fruchtfolgen der Bodenklimaregionen) dienten als Eingangsgrößen in das einzelbetriebliche ökonomische Modell FARMDYN im Teilprojekt TP2. Die Integration des Teilprojektes in das Clusterprojekt „Skalenübergreifende Modellierung von Änderungen der Agrarstruktur und landwirtschaftlichen Stoffflüssen in Regionen von Nordrhein- Westfalen“ hat gezeigt, dass ein enge Zusammenarbeit zwischen pflanzenbaulich und betriebswirtschaftlich orientierten Disziplinen einen beträchtlichen Mehrwert generieren kann und dass die dynamische Modellierung bzw. die Kopplung von Modellen ein effektives Werkzeug zur Integration der zwei wissenschaftlichen Disziplinen (Pflanzenbau und Betriebsökonomik) darstellt. Aus dieser Integration konnten schließlich praxisrelevante Abschätzungen zur Auswirkung der DüV2017 im Vergleich zur DüV2007 gemacht werden.

The research project "Modelling of the effects of different mineral and organic fertiliser applications on yields and the environment in typical farming systems of selected regions of NRW" was part of the cluster project "Cross-scale modelling of changes in agricultural structure and agricultural material flows in regions of North Rhine-Westphalia". The aim of the cluster was the coupled simulation and analysis of nutrient fluxes at the level of the field (subproject TP1), the farm (subproject TP2) and the region with explicit consideration of nutrient exchange between typical, region- specific farm types (subproject TP3). The aim of subproject TP1 ("Modelling of the effects of different mineral and organic fertiliser applications on yields and environment in typical farming systems of selected regions of North Rhine -Westphalia") was the assessment of site- specific nutrient flows in typical farming systems of the soil- climate regions of North Rhine -Westphalia using the modelling platform SIMPLACE (Scientific Impact Assessment and Modelling Platform for Advanced Crop and Ecosystem Management). Together with subproject TP2, farms with a typical farm management and a typical crop rotation were defined in each soil - climate region in order to achieve consistent modelling of yields and nutrient flows at the site and farm level. In addition, 108 fertiliser scenarios for each crop type and crop rotation were defined together with TP2. In the model platform SIMPLACE a complex model solution was developed, which is able to calculate all 108 fertiliser scenarios in combination with all crop rotations at three locations in each soil-climate region. The three locations were the three most important arable soils with the highest share in the cropland area of each region. This led to more than 3,000,000 simulation runs over a period of 26 simulation years (18 years spin- up phase and 8 years evaluation phase). The computer cluster of the Chair of Crop Production was used for the large number of simulations. The simulation results were aggregated as an input to TP2 across all three locations of a soil - climate region. In this report the simulation results of the three sites (Norm-Parabraunerde, Pseudogley-Parabraunerde and Gley-Parabraunerde) in the region 141 (Börde/Lowlands) for two crop rotations (winter wheat-winter barley-sugar beet and winter wheat-silomais-silomais respectively) are presented as examples. The mean simulated yields over 9 years increased up to a maximum yield for all considered crop types with increasing nitrogen quantities, whereby the maximum yield depends on the crop and the individual location in the soil -climate regions. For example, the yields of winter wheat, sugar beet, and silage maize in Region 141 were always higher on Norm-Parabraunerde than on the other two arable sites (Pseudogley-Parabraunerde and Gley-Parabraunerde). The nitrogen leaching rates on the Norm-Parabraunerde, however, were lower with comparable total nitrogen inputs and nitrogen forms, which could be explained by the higher nitrogen uptake. In the comparison of the mean simulated nitrogen leaching rates on the 2 7 sites of the nine soil-climate regions, the highest leaching rates (averaged over all 108 fertiliser scenarios) were found in the regions 146 (Southern Lüneburger Heide/Sandy Soils), 147 (Middle Lower Saxony/loamy-clay Soils) and 191 (Teutoburger Wald). Very high leaching rates were found with the soil types Gley and Gley-Podsol (region 146), Podsol-Gley and Gley (region 147) and Braunerde and Podsol-Gley (region 191), which, apart from the Gley site in region 147, were characterised by sandy subsoils. When comparing the simulated leaching rates averaged over all locations and fertilization scenarios for the individual crops, the leaching rates and the proportion of leached nitrogen in the total nitrogen application were highest for winter rape and sugar beet. If only the fertiliser scenarios selected as optimal by the economic farm model FARMDyn (subproject TP2) were averaged, i.e. "farm optimized fertilisation", the absolute leaching rates were significantly lower, averaging 40 to 60 kg N ha -1 and a -1. Also, in this case the winter rape had the highest leaching rates (> 60 kg N ha a -1) followed by sugar beet, triticale and corn-cob mix. Finally, the agronomic fertiliser efficiency for the above crop rotations and crop types in Region 141 was calculated as the ratio between the crop yield and the total amount of nitrogen used. In the comparison of the three arable sites in region 141, the Norm-Parabraunerde had the highest agronomic fertiliser efficiency for all three crops considered, irrespective of the type of nitrogen form (predominantly mineral or organic), with comparable total nitrogen application rates. The simulation results (yield functions dependent on nitrogen quantity, form and application time as well as leaching rates per crop type in the typical crop rotations of the soil climate regions) were used as input parameters for the economic farm model FARMDYN in subproject TP2. The integration of the subproject into the cluster project "Cross -Scale Modelling of Changes in Agricultural Structure and Agricultural Material Flows in Regions of North Rhine -Westphalia" has shown that a close cooperation between agronomic and economic disciplines can generate a considerable added value and that dynamic modelling and coupling of bio-physical and economic mode ls is an effective tool for the integration of the two scientific disciplines (crop production and farm economics). From this integration, practice -relevant estimates of the impact of the fertilizer regulation DüV2017 in comparison to the fertilizer regulation DüV2007 could finally be made.