Table Of ContentH. 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-
