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. Dabei sind neben allgemeinen Fragestellungen zu Bewirtschaftungsformen landwirtschaftlicher Nutzflächen auch sich ändernde Rahmenbedingungen und agrarpolitische Maßnahmen von Bedeutung. In Zeiten des Klimawandels und der begrenzten Ressourcen wird neben der ökonomischen auch die ökologische Dimension zunehmend bedeutender. In Österreich wird mit verschiedensten Maßnahmen des Agrarumweltprogramms ÖPUL eine umweltschonende Bewirtschaftung gefördert.

Modelle zur Simulation biophysikalischer Prozesse können einen wertvollen Beitrag zum besseren Verständnis der Umwelteffekte landwirtschaftlicher Bewirtschaftung liefern. Insbesondere frei zugängliche (Open Source) Modelle wie z.B. das Environmental Policy Integrated Climate (EPIC) - Modell (Williams, 1995) werden von der Wissenschaftsgemeinschaft weltweit für die unterschiedlichsten Fragestellungen herangezogen und laufend weiterentwickelt. Dazu werden Prozesse wie Bodenwasserhaushalt, Nährstoffkreisläufe, Biomasse-Produktion und Erosion mit mathematischen Gleichungen beschrieben. Für ausgewählte Pflanzenkulturen werden die zu erwartenden Erträge in Abhängigkeit der phänologischen Entwicklung, des potenziellen Wachstums und der vorgegebenen Bedingungen simuliert.

Mit diesen Berechnungen ist eine Abschätzung des Einflusses von Bewirtschaftungsmaßnahmen (wie Bodenbearbeitung, Fruchtfolgen, Bewässerung oder Düngemanagement) und natürlichen Bedingungen (wie klimatischen und topographischen Verhältnissen) auf Pflanzenerträge möglich. Auch Umwelteffekte wie die Auswirkungen von Erosion auf Pflanzenwachstum, Managementstrategien zur Kohlenstoffspeicherung im Boden, Sediment- und Nährstoffverluste als Folge von Bodenbearbeitung oder Klimawandelfolgen wie regional erhöhte Trockenheit können untersucht werden.

Alle simulierten Prozesse werden von im jeweiligen Modellszenario vorzugebenden natürlichen Gegebenheiten und Bewirtschaftungsstrategien beeinflusst. Die Modellvariablen werden in Zeitschritten von bis zu einem Tag aktualisiert. Eine Simulation kann je nach Fragestellung einen Zeitraum von einer Vegetationsperiode (für Ernteerträge) bis zu vielen Jahren (für Erosionsprozesse) umfassen. Einmal auf regionale Verhältnisse kalibriert, kann ein solches Modell der Politik eine wertvolle Entscheidungsgrundlage für eine Vielzahl von Fragestellungen bilden.

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist die Kalibrierung eines publizierten Modells auf österreichische Gegebenheiten, um biophysikalische Prozesse, die bei der landwirtschaftlichen Bodennutzung in Abhängigkeit von natürlichen Gegebenheiten und Bewirtschaftung ablaufen, abbilden zu können. Damit können Zusammenhänge zwischen Erträgen und Bewirtschaftungsmaßnahmen in Abhängigkeit von Pflanzenkulturen und Regionen analysiert werden. Darüber hinaus können auch Umwelteffekte, wie z.B. die Auswirkungen von Bewirtschaftungsauflagen des Agrarumweltprogramms ÖPUL, untersucht werden.

Stand des Projektes

In der agrarwissenschaftlichen Forschung kommt seit vielen Jahren eine Reihe von Open-Source-Modellen zum Einsatz, darunter das Environmental Policy Integrated Climate (EPIC) - Modell, das Cropping Systems Simulation (CropSyst) - Modell und das Decision Support System for Agrotechnology Transfer (DSSAT) Cropping System - Modell. Diese Modelle unterscheiden sich voneinander mehr oder weniger in Modellumfang und Fokus und sind von den jeweiligen regionalen Verhältnissen der Modellentwicklung geprägt. Für dieses Projekt wurde eine Literaturrecherche zu den biophysikalischen Abläufen und ihrer Modellierung sowie aktuellen Studien und Anwendungsbeispielen durchgeführt. Zu den vorherrschenden Modellen wurden inhaltliche Aspekte (Umfang der modellierten Prozesse, Datenanforderung) und technische Eigenschaften (Verfügbarkeit von Software und Quellcode, Benutzerfreundlichkeit) recherchiert und verglichen. Eine engere Auswahl an Modellen wurde in Hinblick auf Benutzerfreundlichkeit, mögliche Schnittstellen zu anderen Anwendungen etc. getestet.

Die zahlreichen modellierten Prozesse erfordern eine Vielzahl an Eingangsparametern: Zum einen sind die natürlichen Gegebenheiten wie Topographie, Bodenbeschaffenheit, Klima und Wetter zu spezifizieren. Daneben sind die Bewirtschaftungsmaßnahmen wie Fruchtfolgen, Bewässerung, Bodenbearbeitung sowie Einsatz von Dünger und Pflanzenschutzmitteln festzulegen. Für diese umfangreichen Modellanforderungen wurde eine Datenbasis erarbeitet. Ausgehend vom Geodatenkatalog des BMLRT wurden aus den verfügbaren Datenquellen (Bodenkarte, Klima- und Wetterdaten der ZAMG, INVEKOS-Daten, Daten der Buchführungsbetriebe etc.) die für die Zwecke der Modellierung relevanten Parameter auf einer ortsbezogenen Basis zusammengeführt.

Geplante Arbeiten für 2021

Mit der Kalibrierung wird das Modell durch die Wahl der Parameterwerte bestmöglich an österreichische Verhältnisse angepasst. Je genauer die Parameter auf das simulierte Szenario abgestimmt sind, umso besser können die beobachteten Abläufe mit dem Modell nachgebildet werden. Gleichzeitig liefern Sensitivitätsanalysen einen Hinweis darauf, welche Parameter mit besonderem Bedacht zu wählen sind, weil bereits kleine Änderungen eine starke Modellantwort hervorrufen können. Für den Prozess der Kalibrierung und eine erste Validierung stehen u.a. die Ertragsdaten der Buchführungsbetriebe und diverse in der Literatur zu findende bodenbezogene Daten zur Verfügung. Für diese wesentlichen Ergebnisvariablen des Modells können durch einen Vergleich der erhobenen mit den vom Modell simulierten Werten Parameter angepasst und die Modellgüte beurteilt werden.

Sobald die Validierung abgeschlossen ist, steht das Modell für Analysen zur Verfügung. Damit sind Bewertungen und Vergleiche von Regionen und Bewirtschaftungsformen beispielsweise in Hinblick auf Ressourceneffizienz, Umweltverträglichkeit, Bodenschonung oder Ertragsniveau möglich. Hierbei wird auf Fragestellungen fokussiert, für die die Validierung eine ausreichend robuste Modellantwort ergeben hat und die Datenlage ausreicht.

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. Auch mehrjährige Entwicklungen können hier von Interesse sein. Einmal vorhanden, sind mit dem Modell zahlreiche Analysen möglich, darunter auch zu Vorgängen wie Bodenerosion oder Kohlenstoffspeicherung im Boden. Voraussetzung dafür ist eine Anpassung des Modells und der Parameter an die konkrete Fragestellung. 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 kann durch eine Kopplung der beiden Modellansätze, deren Möglichkeiten in einem ersten Schritt geprüft werden sollen, eine umfassendere ökologisch-ökonomische Betrachtungsweise erreicht werden.

In einem weiteren Schritt wäre auch eine Kooperation mit externen Projektpartnern 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 2021

 

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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