Forschungsprojekte

BAB 040/20: Biophysikalische Prozesse der landwirtschaftlichen Bodennutzung in Österreich

Modellierung und Analyse

Ausgangssituation

Die österreichische Landwirtschaft befindet sich zunehmend im Spannungsfeld zwischen Wirtschaftlichkeit und ökologisch nachhaltiger Produktion. In Zeiten des Klimawandels und der begrenzten Ressourcen wird neben der ökonomischen die ökologische Dimension der landwirtschaftlichen Bodennutzung zunehmend bedeutender. Dabei sind neben allgemeinen Fragestellungen zu Bewirtschaftungsformen landwirtschaftlicher Nutzflächen auch sich ändernde Rahmenbedingungen und agrarpolitische Maßnahmen von Bedeutung. In Österreich wird mit verschiedensten Maßnahmen des Agrarumweltprogramms ÖPUL eine umweltschonende Bewirtschaftung gefördert.

Mathematische Modelle zur Simulation des Pflanzenwachstums (Crop Models) bilden biophysikalische Prozesse wie Bodenwasserhaushalt, Nährstoffkreisläufe, Biomasseproduktion und Erosion ab. Damit können im Rahmen von Modellszenarien und in Abhängigkeit von den Standortbedingungen Zusammenhänge zwischen Erträgen und Bewirtschaftungsmaßnahmen sowie Umwelteffekte der Bewirtschaftung analysiert werden.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist die Kalibrierung eines publizierten, frei zugänglichen Modells auf österreichische Gegebenheiten, um biophysikalische Prozesse im Zuge der landwirtschaftlichen Bodennutzung abbilden und analysieren zu können. Die Simulation verschiedener Modellszenarien ermöglicht eine Abschätzung des Einflusses von Bewirtschaftungsmaßnahmen (wie Bodenbearbeitung, Fruchtfolgen, Bewässerung oder Düngemanagement) und natürlichen Bedingungen (wie meteorologischen und topographischen Verhältnissen) auf Pflanzenerträge. Auch Umwelteffekte wie Sediment- und Nährstoffverluste als Folge von Bodenbearbeitung oder Klimawandelfolgen wie die Zunahme von Trockenperioden können untersucht werden.

Die simulierten Prozesse werden von den im jeweiligen Modellszenario vorzugebenden natürlichen Gegebenheiten und Bewirtschaftungsstrategien beeinflusst. Je genauer die Anpassung der simulierten an die tatsächlichen Gegebenheiten erfolgt, umso höhere Übereinstimmung zwischen Simulationsergebnissen und real gemessenen Werten ist zu erwarten. Einmal auf regionale Verhältnisse kalibriert, kann das Modell als Analysetool im Agrarumweltbereich dienen und damit eine wertvolle Entscheidungsgrundlage für eine Vielzahl von Fragestellungen sein.

Stand des Projektes

Zunächst wurde mit einer Literaturrecherche ein Überblick über die in der Forschung seit vielen Jahren zum Einsatz kommenden Open-Source-Crop-Modelle gewonnen. Diese unterscheiden sich voneinander in ihrem Fokus und sind von den Verhältnissen in den Regionen, für die sie entwickelt wurden, geprägt und an diese angepasst. Darauf aufbauend wurde die Auswahl aus den verfügbaren Modellen nach inhaltlichen Aspekten (wie Modellumfang, Detailliertheit der modellierten Prozesse, Datenanforderung) und technischen Eigenschaften (wie Dokumentation und Wartung der Software, Benutzer:innenfreundlichkeit) getroffen. Darüber hinaus wurden Schnittstellen für Modell-Parametrisierung und Output-Analyse erstellt.

Die zahlreichen modellierten Prozesse erfordern eine Vielzahl an Eingangsparametern: Zum einen sind die natürlichen Gegebenheiten wie Topographie, Bodenbeschaffenheit und meteorologische Daten zu spezifizieren. Daneben sind die Bewirtschaftungsmaßnahmen wie Fruchtfolgen, Bewässerung, Bodenbearbeitung sowie Einsatz von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln festzulegen. Die für die Zwecke der Modellierung relevanten Parameter wurden verschiedensten Datenquellen (u.a. Geodatenkatalog des BMLRT) entnommen und auf einer ortsbezogenen Basis zusammengeführt.

Mit der Parametrisierung anhand dieser Datenbasis wurde das Crop Model an österreichische Verhältnisse angepasst. Wichtige, innerhalb gewisser Grenzen frei wählbare Parameter wurden so gewählt, dass bestimmte Messwerte bestmöglich reproduziert werden. Für diesen Prozess der Kalibrierung und eine erste Validierung stehen u.a. die Ertragsdaten der Buchführungsbetriebe zur Verfügung.

Geplante Arbeiten für 2022

Zunächst ist eine Vervollständigung und Verbesserung der Datenbasis geplant. Je genauer die Parameter auf das simulierte Szenario abgestimmt sind, umso besser können die beobachteten Abläufe mit dem Modell nachgebildet werden. Hierzu liefern Sensitivitätsanalysen einen Hinweis darauf, welche Parameter mit besonderem Bedacht zu wählen sind, weil bereits kleine Änderungen eine starke Modellantwort hervorrufen können.

Sobald Kalibrierung und Validierung abgeschlossen sind, steht das Modell für Analysen zur Verfügung. In einem ersten Schritt soll auf ausgewählte Zusammenhänge zwischen Erträgen und Bewirtschaftungsmaßnahmen (wie z.B. Bodenbearbeitung, Fruchtfolgen und Düngemanagement) in Abhängigkeit von Kulturen und Regionen fokussiert werden. Im Rahmen des BAB-Projektes „Modellsystem“ (Projekt BAB 009/04) wird u.a. ein Modell erarbeitet, um die ökonomischen Auswirkungen von agrarpolitischen Maßnahmen und von Änderungen anderer Rahmenbedingungen (z.B. Preisvolatilitäten) abbilden und untersuchen zu können. Hier soll die Möglichkeit einer Modellschnittstelle geprüft und gegebenenfalls eine umfassendere ökologisch-ökonomische Betrachtungsweise erreicht werden.

In einem weiteren Schritt wäre auch eine Kooperation mit externen Projektpartner:innen interessant, die Feldstudien, wie z.B. Versuchsanordnungen mit Bodenproben vornehmen. Neben einer Verbesserung der Datenbasis könnte damit das Modell in parallel durchgeführten Versuchsanordnungen und Modellrechnungen noch besser validiert und gezielt Fragestellungen nach Umwelteffekten verschiedener Bewirtschaftungsmaßnahmen nachgegangen werden, für die die momentane Datenlage nicht ausreichend ist.

Zeitplan

Projektbeginn: Jänner 2020

Projektende: Dezember 2022

 

Weizenfeld

Weizenfeld

BABF, Hager, 2015

ProjektleiterIn

STICKLER, Yvonne

DI.in Dr.in Yvonne STICKLER

Agrar-, Umwelt- und Ernährungssysteme

Team

NIEDERMAYR, Julia

DI.in Julia NIEDERMAYR

Agrar-, Umwelt- und Ernährungssysteme
TRIBL, Christoph

DI Dr. Christoph TRIBL

Agrar-, Umwelt- und Ernährungssysteme
laufend
Dietrichgasse 27
1030 Wien
 +43 (1) 71100 - 637415

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