Modell STOFFBILANZ (mit Anpassungen an den Bedarf des LOGAR*-Netzwerks)
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Präsentation
STOFFBILANZ Version 1.8 (LOGAR)
Erstellt am: Januar 2016
Modell STOFFBILANZ
(mit Anpassungen an den Bedarf des
LOGAR*-Netzwerks)
Version: 1.8 (2010)
Simulation der Nitratauswaschung ausgehend von der Stickstoffbilanz
* Länderübergreifende Organisation für Grundwasserschutz am Oberrhein
Ansprechpartnerin (D)
Ansprechpartner (F)
Margarete Finck
Paul van Dijk
LTZ Augustenberg, Ref.12, Leiterin
ARAA
Sachgebiet Wasserschutz
+33 388 19 17 50
+49 721/9468-120
p.vandijk@alsace.chambagri.fr
Margarete.Finck@ltz.bwl.de
Wissenswertes
Das Modell STOFFBILANZ wurde entwickelt, um für Gebiete mit Flächen von einigen
wenigen bis zu mehreren tausend Quadratkilometern die Nitratauswaschung unter der
Wurzelzone ausgehend von der Stickstoffbilanz zu simulieren. Der Bestimmung der
potenziell auswaschbaren Stickstoffmenge werden dabei der Stickstoff-Eintrag und der
Stickstoff-Austrag in die bzw. aus den Flächen sowie die Mobilisierung und Bindung des
Stickstoffs im Boden zugrunde gelegt. Über einen Auswaschungsfaktor, der vom
Wasserhaushalt des Bodens abhängig ist, wird die jährliche durchschnittliche
Nitratauswaschung berechnet (Abbildung). STOFFBILANZ ist ein Instrument, für das
umfangreiche Eingangsdaten zur Landnutzung, zur Bodenbeschaffenheit, zum Anbau
sowie zur mineralischen und organischen Düngung genutzt werden. Die Berechnungen
erfolgen für Raster von 500x500 m über dem Grundwasser der oberrheinischen Ebene
und von 1000x1000 m in den angrenzenden Einzugsbereichen von Schwarzwald und
Vogesen. Die Berechnungsergebnisse lassen sich kartographisch darstellen.
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Präsentation STOFFBILANZ-LOGAR - Fassung vom Januar 2016
Abbildung. Funktionsweise des Modells STOFFBILANZ
Entwicklung des Konzepts und des Instruments
STOFFBILANZ wird seit 2002 von der Firma GALF (Gesellschaft für Angewandte Landwirt-
schaftsforschung) entwickelt. Ihm liegen wissenschaftliche Erkenntnisse zugrunde, die
das Institut für Geoökologie der Universität Dresden (Deutschland) in den 1990er
Jahren gewonnen hat. Das Modell wurde im Rahmen der grenzüberschreitenden
Projekte INTERREG-MoNit (2003 bis 2006) und INTERREG-LOGAR (2009 bis 2012)
weiterentwickelt und auf die Gegebenheiten im Oberrheingebiet zugeschnitten. Im
Zuge des Einsatzes von STOFFBILANZ im Zusammenhang mit der Wasserrahmenrichtlinie
(WRRL) in Baden-Württemberg (2005 bis 2009) wurde das ursprüngliche Modul für die
Berechnung der Ackerflächen dahingehend geändert, dass auf detaillierte Ergebnisse
für einzelne Anbaukulturen zugegriffen werden kann.
STOFFBILANZ - ein Modul des LOGAR-Modellierungssystems
Das LOGAR-Modellierungssystem zur Simulierung der Veränderungen der Grundwasser-
qualität im Oberrheingraben umfasst mehrere gekoppelte Module.
STOFFBILANZ verwendet als Eingangsgröße die Sickerwassermenge des Bodens, die mit-
hilfe des Bodenwasserhaushaltsmodells GWN-BW zur Simulation der Grundwasserneu-
bildung am Oberrhein berechnet wird. Die mit STOFFBILANZ errechneten Ergebnisse,
also die Stickstoffmengen, die in den einzelnen Rasterzellen in das Grundwasser ausge-
waschen werden, stellen dann die Eingangsdaten für das Grundwasserströmungs-
modell dar.
Seite2Präsentation STOFFBILANZ-LOGAR - Fassung vom Januar 2016
EDV-technische Aspekte
STOFFBILANZ wurde unter MS-Access 2010/Visual Basic entwickelt. Es läuft unter
Windows XP und Windows 7; unter Windows 8 und Windows 10 werden derzeit Tests
durchgeführt (Stand: Januar 2016). Die Eingangsdaten für das Modell werden in Excel-
Tabellen gespeichert und dann mit eigens entwickelten Tools in die Access-Datenbank
importiert. Die Eingangsdaten und die Modellrechnungsergebnisse können zur Erstellung
von Karten in ein geographisches Informationssystem (GIS) importiert werden.
Einsatz des Modells STOFFBILANZ im Rahmen des LOGAR-Netzwerks
Verwaltung und Pflege
In der von den Gründungsmitgliedern des LOGAR-Netzwerks geschlossenen
Rahmenvereinbarung für grenzüberschreitende Zusammenarbeit ist geregelt, dass für
die Pflege und Weiterentwicklung von STOFFBILANZ das LTZ Augustenberg (Referent auf
grenzüberschreitender Ebene) und die ARAA (assoziierter Fachpartner auf französischer
Seite) zuständig sind.
Anwendungsbereich
Das Modell berechnet die N-Auswaschung flächendeckend für verschiedene Landnut-
zungsformen (Acker, Grünland, Weinbau, Obstbau, Wald, Siedlung) und wurde vor
allem für die Anwendung im landwirtschaftlichen Bereich weiterentwickelt. Aufgrund
seiner Funktionsweise, der dabei berücksichtigten Prozesse und räumlichen Auflösung
eignet sich STOFFBILANZ beispielsweise zur Beantwortung folgender Fragestellungen:
- Wie wirkt sich in einem bestimmten Gebiet eine Veränderung der
Kulturartenverteilung auf das Nitrat-Auswaschungsrisiko aus?
- Wie wirkt sich in einem bestimmten Gebiet der Anbau von Zwischenfrüchten im
Herbst-Winter-Zeitraum auf das Nitrat-Auswaschungsrisiko aus?
- Welche Auswirkungen haben in einem bestimmten Gebiet Veränderungen im
Bereich der Stickstoffdüngung (mineralisch und/oder organisch) auf das Nitrat-
Auswaschungsrisiko?
STOFFBILANZ ist insbesondere zur Beantwortung von Fragestellungen im Zusammenhang
mit der Landnutzung, insbesondere den ackerbaulichen Kulturen und deren
wesentlichen Bewirtschaftungsmaßnahmen geeignet. Die Ergebnisse sind abgesehen
von wenigen Ausnahmen (siehe Anwendungsgrenzen) zufriedenstellend.
Anwendungsgrenzen
Fragestellungen im Zusammenhang mit dem genauen Zeitplan der Bewirtschaftungs-
maßnahmen lassen sich mithilfe von STOFFBILANZ nicht beantworten. So können
beispielsweise die Auswirkungen einer Aufteilung der Düngergabe oder Änderungen in
Bezug auf die Düngetermine nicht simuliert werden. Da bei STOFFBILANZ als Zeitskala
eine Anbaukampagne einschließlich des anschließenden Herbst-Winter-Zeitraums
berücksichtigt wird, ist dieses Modell für die Analyse von Kultursystemen über die Dauer
einer vollständigen Fruchtfolge nur eingeschränkt geeignet.
Seite3Präsentation STOFFBILANZ-LOGAR - Fassung vom Januar 2016
Trotz der insgesamt zufriedenstellenden Ergebnisse wird mit STOFFBILANZ das Nitrat-
Auswaschungsrisiko bei Böden mit hohem Steingehalt zu gering bewertet. In einigen
Teilbereichen im Elsass weichen die mithilfe von STOFFBILANZ berechneten Ergebnisse
für das Auswaschungsrisiko zum Teil erheblich von den vor Ort auf steinigen Böden in
der Hardt erhobenen Daten ab, auch andernorts trifft dies zu (ARAA, 2011). Um die
Defizite zu beheben, bemühen sich die Akteure des LOGAR-Netzwerks um weitere
Verbesserungen des Modells STOFFBILANZ, insbesondere um die Anpassung
verwendeter empirischer Ansätze an die regionalen Verhältnisse.
Modelleingangsdaten für STOFFBILANZ
Die Berechnung des Stickstoffüberschusses und des Auswaschungspotenzials für
Ackerland erfolgt im Modul "Datenspeicher N-Bilanz" des Modells STOFFBILANZ. In
diesem Modul werden die Eingangsdaten (Tabelle 1) zu Landwirtschaft und
Düngepraxis, die je nach Verfügbarkeit auf verschiedenen räumlichen Ebenen
(Bewirtschaftungsregion, Gemeinde, Gemarkung, usw.) vorliegen, berücksichtigt.
Tabelle 1. Modelleingangsdaten für STOFFBILANZ Nutzung "Acker" auf verschiedenen Ebenen
(F=Frankreich, D=Deutschland, CH=Schweiz)
Räumliche Anzahl räumlicher
Ebenen der Einheiten im Modelleingangsgrößen
Eingangsdaten "LOGAR-Gebiet"
- Verschiedene Normen und Parameter: Faktoren
für Stickstoffentzug und -bedarf der Kulturen,
Gebiet 3
Faktoren für Stickstoffverluste bei der Lagerung
(F, D, CH) und bei der Gülleausbringung, usw.
- Stickstoffdüngung, Erträge der Kulturen,
Stickstofffixierung der Leguminosen
Teilgebiet 23
- Verschiedene Faktoren der Stickstoffminerali-
(F:11 - D: 11 - CH:1) sierung aus organischer Substanz
- Stickstoffaufnahme der Winterungen und
Zwischenfrüchte
Gemeinde (D) / 277 - Wirtschaftsdünger
Canton (F) (D: 203 -CH: 9 - F: 65)
Gemarkung(D)/ 1.452 - Kulturartenverteilung, Flächen mit pfluglosen
Commune (F) (D: 552 - CH: 9 - F: 891) Anbauverfahren, Flächen mit Zwischenfrüchten
10.424 - Bodeneingenschaften (Gehalt an organischen
Rasterzelle (D: 3357 - Stoffen, Ton-, Kalk-, Steingehalt, usw.),
CH: 13 - F: 7054) durchschnittliche Jahrestemperatur
Ergebnisse der Simulation mit STOFFBILANZ
Mit Stoffbilanz lassen sich für die ackerbaulichen Kulturen verschiedene Ausgabegrößen
erzeugen. In Tabelle 2 ist ausgeführt, welche Ergebnisse sich mithilfe von STOFFBILANZ für
die einzelnen Rasterzellen berechnen lassen.
Seite4Präsentation STOFFBILANZ-LOGAR - Fassung vom Januar 2016
Tabelle 2. Ergebnisse aus STOFFBILANZ für die Rasterzellen des Untersuchungsgebiets
Art der Ergebnisdaten - Einheit(en) Beschreibung
Stickstoffüberschuss Stickstoffsaldo umgerechnet auf die Bezugsfläche. Der
(in kg N/ha) Saldo ergibt sich aus dem Stickstoffeintrag bei der
Düngung und dem Stickstoffaustrag (Stickstoffentzug
durch die Ernte).
Auswaschungspotenzial Stickstoffmenge im Boden, die zu Beginn des Winters
(in kg N/ha) potenziell auswaschbar ist. Sie ergibt sich aus dem
Stickstoffüberschuss und standortspezifischen Merkmalen
(Bodenbeschaffenheit, Umgang mit Ernteresten,
Denitrifikation und atmosphärische Deposition).
Auswaschungsfaktor Faktor, der die Versickerung im durchwurzelten Boden
(ohne Einheit) beschreibt.
Stickstoffauswaschung Menge des ausgewaschenen Stickstoffs, der ausgehend
(in kg N/ha) vom Auswaschungspotenzial unter Berücksichtigung des
Auswaschungsfaktors berechnet wird.
Beschreibung der Methode
Die Methode zur Berechnung der ackerbaulichen Kulturen mit STOFFBILANZ-LOGAR wird
in Finck et al. (2012) erläutert. Eine ausführliche Darstellung der Methode und aller
Aspekte im Zusammenhang mit der Aufbereitung der Eingangsdaten im Rahmen der
Tätigkeit des grenzüberschreitenden LOGAR-Netzwerks ist der Dokumentation von E.
Walter und M. Finck (2014) zu entnehmen.
Weitere Informationen
Finck, M., Walter, E., Reinsch, M., Gebel, M. (2012). Abschätzung des N-
Auswaschungspotenzials auf Basis der Mineral-N-Bilanz. VDLUFA-Schriftenreihe 68. S. 253-266.
Gebel, M., Bürger, S, Halbfaß, S., Uhlig, M., Grunewald, K., Kaiser, M. (2010). STOFFBILANZ -
Modellerläuterung
Région Alsace (2012). Abschlussbericht; Länderübergreifende Organisation für
Grundwasserschutz am Rhein (LOGAR). INTERREG-IV-Projekt LOGAR, Strasbourg (F).
Van Dijk, P., Burtin, M.-L., Koller, R. (2011). Evaluation des résultats du modèle Stoffbilanz-
LOGAR. Situation agricole de 2009. Association pour la Relance Agronomique en Alsace
(ARAA), Bericht im Rahmen des INTERREG-IV-Projekts LOGAR (Länderübergreifende
Organisation für Grundwasserschutz am Rhein), 13 Seiten.
Walter, E., Finck, M. (2014). Dokumentation der Datengrundlagen und Datenaufbereitung.
Modell STOFFBILANZ. Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg (LTZ), Liaison
Opérationnelle pour la Gestion de l’Aquifère Rhénan (LOGAR), 49 Seiten.
Links
http://www.STOFFBILANZ.de/s1/index.php?home=m1&lang=de
http://www.logar2050.eu
Seite5Präsentation STOFFBILANZ-LOGAR - Fassung vom Januar 2016
LOGAR : Länderübergreifende Organisation für Grundwasserschutz am Oberrhein
Im Rahmen des Experten-Netzwerks « Länderübergreifende Organisation für
Grundwasserschutz am Rhein (LOGAR) » werden grenzübergreifend Werkzeuge
angewendet, so dass sich Szenarien über die künftige Entwicklung der
Grundwasserqualität am Oberrhein entwerfen lassen. Die Modellrechnungen ermöglichen
Betrachtungen zur räumlichen Verteilung und zeitlichen Entwicklung der
Grundwasserbelastung mit Nitrat und Pflanzenschutzmitteln als den derzeit wichtigsten
Belastungsgrößen.
http://www.logar2050.eu/
Partenaires du réseau LOGAR / Partner des Netzwerks LOGAR
Correspondants techniques associés / Assoziierte Fachpartner
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