Modelling

Modellierung von Stoffkreisläufen in Böden: Früherkennung, Prognose und Ursachenanalyse

Nähr- und Schadstoffe reichern sich langfristig in Böden an; diese Prozesse sind jedoch schwierig zu erfassen. Eine Stoffbilanzierung lässt unerwünschte Entwicklungen im Boden frühzeitig erkennen und ermöglicht das Erstellen von Prognosen und Szenarien. Dieses Modellierungs-instrument dient der Vorsorge im Bodenschutz.

Ziel einer Modellierung von Stoffbilanzen ist, die Ursache gemessener Veränderungen im Boden zu analysieren sowie die angepassten Massnahmen einer nachhaltigen Bodennutzung zu prognostizieren. Wie die landwirt-schaftliche Bewirtschaftung die Bodenqualität, Bodenfunktionen und Bodengefahren langfristig beeinflusst, kann daher mit einfachen Oberflächenbilanzen oder mit komplexeren Bodenprozessmodellen beleuchtet werden. Letztere können für Analysen und Prognosen im regionalen respektive standörtlichen Massstab verwendet werden, um die Veränderungen im Boden hinsichtlich der Bewirtschaftung, der Bodenbearbeitung und den Standort- und Bodeneigenschaften zu überprüfen.

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Abbildung: Mit einer Stoffbilanzierung lassen sich die Standort- mit den Umweltbedingungen verknüpfen, ebenso wie die landwirtschaftliche Nutzung mit den Stoffkreisläufen im Boden. (Quelle: Maharens, Umweltbundesamt Dessau).

Der Modellierungsansatz ist jeweils abhängig von der Fragestellung nach Raum und Zeit spezifiziert: Die Analyse kann sich daher auf eine Bewirtschaftungsparzelle, einen Landwirtschaftsbetrieb oder eine ländliche Region beziehen respektive über einen Tag, Monat oder ein Jahr – rück-wirkend oder prospektiv – erfolgen. Stoffbilanzen werden in der NABO sowohl für Nährstoffe (Stickstoff, Phosphor, Kalium) als auch von anorganischen (Cadmium, Kupfer, Zink, Uran) respektive organischen Schadstoffen (Pflanzenschutzmittel) berechnet.

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Langjährige Nähr- und Schadstoffbilanzen für NABO-Parzellen

Für Nährstoffe (N, P, K), Schwermetalle (Cd, Cu, Zn, U) und ausgewählte Pflanzenschutzmittel werden vereinfachte Oberflächenbilanzen auf Jahresbasis erstellt. Dabei sind die Bewirtschaftungsdaten zu berücksichtigen, so dass die Bilanzen mit den gemessenen Veränderungen im Boden vergleichbar sind. Aus diesen Ergebnissen können Indikatoren und Handlungsempfehlungen für eine nachhaltige Bodennutzung abgeleitet werden.

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Applikationen von Pflanzenschutzmittel (PSM) auf NABO-Parzellen

Die langfristige Belastung des Bodens mit Rückständen von Pflanzenschutzmittel (PSM) wurde bislang noch kaum untersucht. Daher ist das Ausmass weitgehend unbekannt, inwiefern PSM-Wirkstoffe den Boden in der Schweiz belasten und wie persistent sie im Boden sind. Die Nationale Bodenbeobachtung NABO erfasst die langjährigen PSM-Anwendungen auf den Probeparzellen. Damit lassen sich mögliche Rückstände von ausgewählten PSM-Wirkstoffen zukünftig gezielt untersuchen.

NABO-Bewirtschaftungsdaten

Erfassen von Bewirtschaftungs- und Nutzungsdaten von NABO-Parzellen

Eine wichtige Grundlage für die Interpretation von Veränderungen der Bodenqualität stellen Daten zur landwirtschaftlichen Bewirtschaftung dar. Für knapp 50, landwirtschaftlich genutzten NABO-Parzellen werden jährlich Bewirtschaftungs- und Nutzungsdaten systematisch erfasst.

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Die Dynamik der Stoffkreisläufe im Boden verstehen - Modellierung von Bodenprozessen

Länger andauernde Stoffeinträge müssen nicht zwangsläufig zu einer Anreicherung im Boden führen. Neben der Bewirtschaftung bestimmen vielfältige Bodenprozesse und Bodeneigenschaften die Stoffkreisläufe mit. Diese Zusammenhänge sollen mit Hilfe von Bodenprozess-Modellen besser untersucht werden.

Agrarumweltmonitoring: Schwermetallbilanzen als Indikator

Das Bundesamt für Landwirtschaft führt ein Monitoring anhand von Agrarumweltindikatoren (AUI) durch, damit der Einfluss der Landwirtschaft auf die Umweltqualität ermittelt werden kann. Die Nationale Bodenbeobachtung NABO berechnet die jährlichen Kupfer- und Zinkbilanzen der AUI-Betriebe und leitet Indikatoren ab. Diese Angaben werden im Agrarbericht veröffentlicht.

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Isotopenmethode zur Quellenanalyse von Metallen

Das NFP69-Projekt «Stabile Metallisotope als neues Werkzeug zur Verbesserung der Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Produktionssysteme MISOTRAG» untersucht, ob sich Cadmium, Kupfer und Zink in landwirtschaftlichen Böden anreichern, und welche Anteile die Pflanzen aufnehmen können.

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Regionales Boden-Monitoring-Tool für nachhaltige Stoffkreisläufe

Das NFP68-Projekt iMSoil („Regional soil monitoring tool for sustainable element cycles on agricultural soils“) entwickelt ein Instrument für den Bodenschutz. Erhöhte Stoffeinträge sollen dank einem regionalen Boden-Monitoring-Tool frühzeitig erkannt, und die Wirksamkeit von geeigneten Massnahmen auf gefährdeten Böden überprüft und geeignete Indikatoren abgeleitet werden.

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Cadmium- und Urangehalte in Böden: Screening von Ackerböden im Mittelland

Weisen mineralisch gedüngte Böden erhöhte Schadstoffgehalte auf? Und wie hoch sind die Schadstofffrachten, die mit dem Dünger in den Boden gelangen? Tatsächlich kann der Einsatz von Mineraldüngern in der landwirtschaftlichen Produktion erhöhte Einträge von potentiell toxischen Metallen in den Boden verursachen. Anhand eines Screenings von Ackerböden wurde das Risiko von Arsen- (As), Blei- (Pb), Cadmium- (Cd) und Uran-Anreicherungen (U) durch den Eintrag von P-Mineraldüngern evaluiert.

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Stoffkreisläufe landwirtschaftlich genutzter Böden im Mittelland

Im NFP68-Projekt «Nationales Landmanagementmodell» wird ein Stoffbilanzierungsmodell entwickelt, das Stoffkreisläufe für Böden des Schweizer Mittellands räumlich explizit berechnen kann. Dieses Modell soll dazu dienen, die Einflüsse von regionalen Bewirtschaftungsstrategien und nationalen Steuerungsinstrumenten auf die Nähr- und Schadstoffkreisläufe in Acker- und Graslandböden abzuschätzen. Eine Stärke des Modells liegt darin, zu erkennen, wo sich die Landnutzung und die Bewirtschaftung über die Jahre ändern. Es erlaubt zudem, Trends in den Stoffkreisläufen abzuschätzen.