Verbundprojekt SIGNAL "Nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft durch Agroforstsysteme"; Teilprojekt E "Modellierung von Agroforstsystemen"

Abstract

Im Forschungsvorhaben SIGNAL-Teilprojekt E wurde mit Hilfe des Agroforst-Modells XN5-AF untersucht, inwieweit Agroforstsysteme gegenüber Offenland-Ackerbau Vorteile in Bezug auf Ertrag und andere Ökosystemfunktionen (Kohlenstoffspeicherung, Evapotranspiration, Nitratauswaschung, Lachgasemissionen) haben können. XN5-AF ist in das Agrarökosystemmodell Expert-N (XN5) integriert und simuliert Beschattung, Windabschwächung, Wurzelkonkurrenz, und Streufall in Alley-Cropping Agroforstsystemen mit hoher zeitlicher Auflösung. Die Simulation der Interaktion von Baumstreifen mit den Ackerfrüchten wird hierbei über eine Kopplung von Wachstumsmodellen für Ackerfrüchte mit einem Baumwachstumsmodell sowie mit Modulen zum Bodenwasser-, Bodenwärme-, Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalt realisiert. XN5-AF wurde anhand der Daten aus den mehrjährigen Versuchen an den SIGNAL-Standorten Dornburg, Forst und Wendhausen kalibriert und getestet, wobei für die Phänologie-Kalibrierung ergänzend Daten des Deutschen Wetterdienstes genutzt wurden, da die standortspezifischen Beobachtungen begrenzt waren. Mit Hilfe des kalibrierten Modells wurden Antwortkurven der Ökosystemfunktionen Evapotranspiration, Nitratauswaschung, Lachgasemissionen und Kohlenstoffspeicherung auf veränderte Randbedingungen in Bezug auf N-Düngergaben (20–150% der Düngergaben in den Versuchen) und Niederschlag (50–150% der gemessenen Werte) generiert. Die Simulationen legen nahe, dass Ertragsdifferenzen zwischen Offenlandanbau und Agroforst-Ackerfläche unter Trockenheit geringer werden. Überschüssiger Stickstoff wird bevorzugt in Nähe der Baumstreifen ausgewaschen oder als Lachgas emittiert. Für Winterweizen und Silomais wurden deutschlandweite (396 Landkreise) Simulationen durchgeführt, um regionale Unterschiede in den Ökosystemfunktionen zu ermitteln. Die Simulationen basierend auf der Bodenkarte BÜK200 und Era5-Land Wetterdaten. Während für Winterweizen deutschlandweit nur geringe Ertragseinbußen auf der Agroforst-Ackerfläche simuliert wurden (ca. –1 bis –4 %), zeigten sich für Silomais deutlich stärkere Ertragsverluste von bis zu –12% in östlichen Regionen. In Bezug auf die Kohlenstoffspeicherung im Boden zeigen die Simulationen für Agroforst in Kombination mit Winterweizen einen leicht positiven Effekt. Für Silomais waren die Effekte in den meisten Regionen gering oder leicht negativ. Nitratauswaschung und Lachgasemissionen folgten weitgehend den Ertragsmustern. Klimaprojektionen (basierend auf bias-korrigierten Klimasimulationen aus dem Kernensemble der EURO-CORDEX und ReKliEs-DE Projekte) zeigen dauerhaft nachteilige Agroforsteffekte auf Silomaiserträge. Für Weizen werden hingegen werden ab ca. 2050 deutlich abnehmende Ertragsverluste prognostiziert, da sich die Beschattung durch Bäume bei steigenden Temperaturen hier zunehmend günstig auswirkt.