H. Muhle/S. Claus (Hrsg.) Reaktionsverhalten von agrarischen Okosystemen homogener Areale UFZ - Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH Das Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle wurde zu Beginn des Jahres 1992 vom Bundesministerium fOr Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF), dem Freistaat Sachsen und dem Land Sachsen-Anhalt gegrOndet. Es ist eine von 16 GroBforschungseinrichtungen in Deutschland, die erste, die sich ausschlieBlich mit Umweltforschung befaBt. Am UFZ werden in interdisziplinărer Forschung Theorien und Methoden erarbeitet und weiterentwickelt, die der Regenerierung stark belasteter und der Erhaltung naturnaher Landschaften dienen. Daraus sollen Empfehlungen fOr die Praxis abgeleitet und somit Entscheidungen von Behorden und Unternehmen - etwa Ober SanierungsmaBnahmen oder die Entwicklung von Umwelttechnologien - erleichtert werden. Die Verflechtung okonomischer, okologischer, sozialer und rechtlicher Aspekte gewinnt dabei zuneh mend an Bedeutung. Die Komplexităt unserer Umwelt findet im UFZ ihren Ausdruck in einem sehr breit gefăcherten Forschungsspektrum. Es gibt auf der einen Seite zwolf wissenschaftliche Sektionen, deren Aufgaben vor allem im weiten Feld der Grundlagenforschung Iiegen. Auf der anderen Seite stehen vier landschaftsbezogene Projektbereiche, die die Arbei ten der Wissenschaftler aus den Sektionen in interdisziplinăr angelegten Verbundpro jekten fachlich und administrativ koordinieren. Die Vielschichtigkeit okologischer Probleme erfordert jedoch nicht nur fachObergrei fende Zusammenarbeit im Rahmen des UFZ selbst, sondern auch mit Behorden, Uni versităten und anderen Forschungseinrichtungen auf nationaler und internationaler Ebene. So wurde gemeinsam mit der Universităt Leipzig ein Umweltmedizinisches Zentrum gegrOndet. Die Verbindung zur Industrie soli durch ein Umweltbiologisches Zentrum (UbZ) gestărkt werden, ei ne Gemeinschaftseinrichtung mit der DECHEMA Frankfurt a. M. GroBe Aufmerksamkeit gilt ebenso der Zusammenarbeit mit Wissen schaftlem Osteuropas. Es bestehen bereits enge Kontakte zu Universităten und For schungseinrichtungen in Estland, Polen, RuBland, der Tschechischen Republik sowie Ungarn. Reaktionsverhalten von agrarischen Okosystemen homogener Areale Methoden der Beschreibung, Messung und Quantifizierung Herausgegeben van Praf. Dr. Heidrun MOhie Praf. Dr. Stephan Claus m Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Prof. Dr. Heidrun Muhle UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH Projektbereich Agrarlandschaflen Prof. Dr. Stephan Claus Martin-Luther-Universităt Halle-Wittenberg Institut fUr Bodenkunde und Pflanzenemăhrung Agro-Okosystemforschung Quedlinburg Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Reaktionsverhalten von agrarischen Okosystemen homogener Areale : Methoden der Beschreibung ; Messung und Quantifizierung I hrsg. von Heidrun Muhle ; Stephan Claus. - Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ISBN 978-3-8154-3529-8 ISBN 978-3-663-07864-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-07864-7 NE: Muhle. Heidrun [Hrsg.] Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzl. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulăssig und strafbar. Das gilt besonders fur Vervielfăltigungen. Obersetzungen. Mikroverlilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. © Springer Fachmedien Wiesbaden 1996 UrsprOnglich erschienen bei B.G. Teubner Verlagsgesellschaft Stullgart 1996 Umschlaggestaltung: E. Kretschmer. Leipzig Vorwort Der Inhalt dieses Buches umfaBt Ergebnisse, die in dem Forschungsvorhaben "Stabilitat und Belastbarkeit von agrarischen Okosystemen homogener Areale" erzielt worden sind. Dieses Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministers fur Forschung und Technologie unter dem Forderkennzeichen 0339499 in dem Zeit raum vom 01.01.1993 bis zum 30.04.1996 - einschlieSlich der kostenneutralen Verlangerung - gefordert. Die Verantwortung fur den Inhalt dieser Veroffent- .lichung liegt bei den Herausgebem und den Autoren. An diesem Verbundprojekt waren Forschungsgruppen mehrerer Institutionen beteiligt: Projektgruppe "Agro-Okosystemforschung Quedlinburg" der Martin Luther-Universitat Halle-Wittenberg, Institut fur Pflanzenztichtung und Pflanzen schutz der Martin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg, Institut fur integrierten Pflanzenschutz Kleinmachnow der Biologischen Bundesanstalt fur Land- und Forstwirtschaft Braunschweig, Institut fur Rhizospharenforschung und Pflanzen emahrung des Zentrums fur Agrarlandschafts- und Landnutzungsforschung (ZALF) e.V. Mtincheberg. AuBerdem wirkten Forschungsgruppen mit aus der Sektion Bodenforschung Bad Lauchstadt des Umweltforschungszentrums Leipzig-Halle GmbH und des Instituts fur Folgenabschatzung im pflanzenschutz Kleinmachnow der Biologischen Bundesanstalt fur Land-und Forstwirtschaft Braunschweig. In enger interdisziplinarer Zusammenarbeit wurden Modelle zur Charakterisie rung des Reaktionsverhaltens agrarischer Okosysteme entwickelt, aktualisiert, ab gestimmt und zu einem Modellkomplex vemetzt. Die fur die Validisierung der Modelle erforderlichen umfangreichen Daten konnten als Ergebnisse modellrele vanter, sowohl im Freiland als auch in Klimakammem ausgefuhrter Experimente bereitgestellt werden. Mit den ausfuhrlichen Diskussionen in den Statusseminaren, die sich vor allem auf neue Aspekte der Forschungsarbeiten konzentrierten, konnte die Zusammenarbeit im Verbundprojekt wirkungsvoll untersttitzt werden. Ohne die Untersttitzung und Hilfe anderer ware das Buch nicht entstanden. Dafur sagen die Herausgeber verbindlichsten Dank - dem Bundesministerium fur Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technolo gie fur die finanzielle Untersttitzung des Forschungsvorhabens, dem Projekttrager Biologie-Energie-Okologie des Bundesministeriums fur Bil dung, Wissenschaft, Forschung und Technologie fur die hilfreiche Begleitung des Forschungsvorhabens und der Geschaftsfuhrung des Umweltforschungszentrums Leipzig-Halle GmbH fur die Untersttitzung bei der Herausgabe dieses Buches. 6 Vorwort Gleichzeitig danken die Herausgeber den Projektpartnern und Autoren sowie allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern flir die gute Zusammenarbeit. Ein besonderer Dank geblihrt Herrn J. Wei6, Redaktion Mathematik und Natur wissenschaften der B.G. Teubner Verlagsgesellschaft mbH, Leipzig, fUr die Geduld und das verstăndnisvolle Entgegenkommen den Herausgebern und Autoren gegen liber. Quedlinburg, Juni 1996 Die Herausgeber Inhalt 1 Stabilităt und Belastbarkeit von Okosystemen [H.MOhle, S.Claus].......................................................................................... 9 2 Entwicklung modular aufgebauter dynamischer mathematischer Modelle zur Charakterisierung und Quantitizierung von Prozessen in agrarischen Okosystemen auf homogenen Arealen 2.1 Modell fUr Wachstum und Entwicklung von Kulturpflanzen unter Be rucksichtigung wesent1icher ZustandsgroBen des C- und N-Haushaltes der Pflanzen [S.Claus, P.Wemecke]............................................................................. 17 2.2 Das BodenprozeBmodell CANDY [U.Franko, B.Oelschlagel] ........................................................................ 49 2.3 Modell zum Energie-und Wasseraustausch von Pflanzenbestanden [U.Pigla, P.Wemecke].............................................................................. 63 2.4 Modell des C02-Gasaustausches von pflanzenbestanden [J.MOller, P.Wemecke]............................................................................ 77 2.5 Modelle der Ontogenese fUr die Kulturarten Winterweizen, Wintergerste und Winterraps [P.Wemecke, S.Claus] ............................................................................. 105 2.6 Populationsmodelle fUr Schlidlinge und NOtzlinge [B.Freier, H.Triltsch, D.RoBberg, T.Kreuter, T.Wetzel] ......................... 121 2.7 Kopplung der Modelle zu einem Komplexmodell [S.Claus, U.Franko, P.Wemecke, G.Dubsky, D.RoBberg] ...................... 141 2.8 Die Simulationsumgebung ESS [G.Dubsky, S.Claus, U.Franko] ............................................................... 149 3 Modellrelevante Experimente und Untersuchungen 3.1 Modellrelevanz der Experimente [H.MOhle, H.Brinkmann, M.Strutz] ......................................................... 159 3.2 Charakterisierung des Versuchsstandortes Quedlinburg [H.Brinkmann, M.Strutz, U.Pigla] ........................................................... 169 3.3 Zeitlicher Verlauf wesent1icher Inhaltsstoffe von Boden und Pflanzen [M.Strutz, H.Brinkmann] ......................................................................... 177 3.4 Okophysiologische Wechselbeziehungen zwischen Pflanze und Boden [W.Merbach, G.Knof, lAugustin, H.-lJacob, RJager, V.Toussaint] .... 195 8 Inhalt 4 Okosystem-Monitoring 4.1 Anforderungen an MeBsysteme fUr das Okosystem-Monitoring zur Untersuchung agrarlscher Okosysteme [H.Miihle, W.Liedecke, S.Claus] ............................................................. 209 4.2 Automatisierte Erfassung von UmweltgroBen [W.Liedecke] ............................................................................................ 213 4.3 Thermovisionsmessungen an pflanzenbestănden [W.Liedecke] ............................................................................................ 219 4.4 MeBtechnische Voraussetzungen fUr die Erfassung des C02- Gasaustausches "pflanzenbestand -Atmosphăre" [W.Liedecke, J.Miiller] ............................................................................ 229 5 Reaktion von agrarischen Okosystemen ausgewăhlter Standorte auf Witterungsbedingungen und Stickstoffversorgung [H.Miihle, P.Wernecke, S.Claus, G.Dubsky] .................................................. 241 6 Zusammenfassung und Ausblick [H.Miihle, S.Claus] .......................................................................................... 265 Literatur........... .......... ......... ............ ........................ ................. ........ .............. 271 Summary. ........................................................................................................ 289 Verzeichnis der Autoren........ ............... .......... .............................................. 291 Sachregister .................................................................................................... 293 1 Stabilităt und Belastbarkeit von Okosystemen s. H. MOIn..E, CLAUS Die konventionelle Landwirtschaft verursacht Belastungen, die sowohl die agra rischen Okosysteme selbst als auch benachbarte Okosysteme in ihrer Struktur und ihren Funktionen beeintrăchtigen. Diese Tendenz setzte im vergangenen Jahrhun dert mit der Entwicklung der Agrikulturchemie und mit der Mechanisierung der Landwirtschaft ein. Die intensive Verwendung von Diinge-und Pflanzenschutzmit teln sowie der Einsatz moderner Technik ermoglichten seit Mitte dieses Jahrhun derts hohe Ertrage auf den landwirtschaftlich genutzten Flăchen. Die Landwirt schaft wurde seitdem einseitig auf die Produktion bei VernachHissigung anderer Aspekte ausgerichtet. Der Schutz und die Erhaltung wesentlicher Eigenschaften der Landschaft, so z.B. der Regulationsfunktion oder der Bewahrung der biologischen Vielfalt, war urspriinglich eine Gratisleistung der Landwirtschaft an die Gesell schaft. Es wurde auf die schonende Bewirtschaftung der BOden, auf Reinhaltung der Gewăsser und tiberhaupt auf den sorgsamen Umgang mit den nattirlichen Res sourcen geachtet, um die eigenen Lebensgrundlagen zu erhalten und unter diesen Umstănden ein gutes betriebliches Ergebnis zu erreichen. Gegenwărtig befindet sich die Landwirtschaft in einer zwiespăltigen Situation. Einerseits gilt es, landwirtschaftliche Produkte in betrăchtlichen Mengen und mit hoher Qualitat zu erzeugen, andererseits werden von der Landwirtschaft okologi sche Leistungen erwartet, die sich nicht vermarkten lassen. Da mit dem Schutz der nattirlichen Ressourcen kaum Gewinne zu erzielen sind, wirtschaftet die Mehrzahl der Agrarbetriebe nach wie vor einseitig produktionsorientiert. Um die Landwirt schaft dennoch okologisch vertraglich zu gestalten ist es notwendig, die mit land wirtschaftstypischen Stoffen verursachten Belastungen agrarischer Okosysteme zu quantifizieren, damit verbunden die Stabilitat agrarischer Okosysteme zu ermitteln und Grenzen fUr ihre Belastbarkeit festzulegen. Damit wtirde im Sinne des vorsor genden Umweltschutzes ein Beitrag zur nachhaltigen Landbewirtschaftung ge leistet. In diesem Zusarnmenhang ist festzuhalten, daB agrarische Okosysteme keine "nattirlichen" Okosysteme sind. Sie bleiben nicht sich selbst tiberlassen, sondern unterliegen stăndigen steuernden Eingriffen durch die Landwirte. Mit den angewen deten BewirtschaftungsmaBnahmen werden agrarische Okosysteme zielgerichtet beeinfluBt. Im besonderen durch Aussaat und Ernte unterscheiden sich agrarische Okosysteme von anderen. Auf den bewirtschafteten Flachen werden weitgehend artenreine Kulturen angebaut, wenn auch in der Fruchtfolge von Flăche zu FIăche wechselnd, und mit der Ernte werden groBe Teile der gebildeten Biomasse den Flăchen - und damit dem agrarischen Okosystem - stăndig wieder entzogen. Dieser Entzug wiederum wird durch agrotechnische MaBnahmen, wie Fruchtfolge oder Dtingung, immer wieder ausgeglichen, so daB in bezug auf die Bewirtschaftung nahezu gleiche Anfangsbedingungen fur die einzelnen Vegetationsperioden ge-