Universität zu Köln

Prozessbasierte und räumlich verteilte Modellierung der Bodenstickstoffflüsse zur Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels auf Stickstoffverfügbarkeit und Nitratauswaschung im Einzugsgebiet der Oberen Donau

Klar, Christian Wilhelm (2009) Prozessbasierte und räumlich verteilte Modellierung der Bodenstickstoffflüsse zur Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels auf Stickstoffverfügbarkeit und Nitratauswaschung im Einzugsgebiet der Oberen Donau. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Vor dem Hintergrund des Globalen Wandels sind räumliche und zeitliche Informationen über die Stickstoffverfügbarkeit im Boden und die Nitratauswaschung von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Maßnahmen zur integrierten Bewirtschaftung der (Grund-)Wasserressourcen. Im Rahmen des Projekts GLOWA-Danube untersucht diese Arbeit die Reaktionen des Bodenstickstoffhaushalts auf Klimaänderungen im Einzugsgebiet der Oberen Donau. Als Komponente des integrativen Entscheidungsunterstützungssystems DANUBIA wurde das objektorientierte und prozessbasierte Bodenstickstoffmodell SNT auf der Grundlage des Modells CERES Maize 2.0 entwickelt. SNT bildet die wichtigsten Prozesse (Mineralisierung/Immobilisierung, Denitrifizierung, Nitrifizierung, Harnstoffhydrolyse und Nitratverlagerung) und die Dynamik von zwei mineralischen (Nitrat und Ammonium) sowie zwei organischen (frische Biomasse und Humus) Stickstoffreserven im Boden ab. Die Validierung des Modells erfolgte durch einen multikriteriellen und skalenübergreifenden Vergleich mit Messreihen, die ein breites Spektrum pedologischer und meteorologischer Bedingungen in Deutschland abdeckten. In einer Sensitivitätsanalyse wurde die Reaktivität des Modells gegenüber Eingabedaten und physikochemischen Bodenparametern bestimmt. Um das Modellverhalten auf der Makroskala abzuschätzen, wurde eine Unsicherheitsstudie durchgeführt. Für die regionale Modellierung im Einzugsgebiet der Oberen Donau war die Übertragung des Modells von der Feldskala auf die Makroskala erforderlich. Daher wurde die Eignung des subskaligen Skalierungsverfahrens Geokomplexe für die regionale Bodenstickstoffmodellierung evaluiert. Zur Abschätzung der Klimaeffekte wurden die meteorologischen Trends des IPCC A1B-Emissionsszenarios bei der regionalen Modellierung unterstellt. Um die Auswirkungen der Klimaänderungen auf den Bodenstickstoffhaushalt räumlich differenziert zu quantifizieren, wurden die Szenarioergebnisse mit Referenzwerten verglichen. Die Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des Modells, die räumliche und zeitliche Dynamik des Bodenstickstoffhaushalts unter den aktuellen klimatischen Bedingungen realistisch abzubilden und auf Klimaeffekte treffend zu reagieren. SNT hat sich für die Abbildung der Stickstoffverfügbarkeit und der Nitratauswaschung unter den Bedingungen des Globalen Wandels bewährt. Als Teil von DANUBIA wird SNT dazu beitragen, wirkungsvolle Maßnahmen für einen nachhaltigen Umgang mit den Wasserressourcen im Einzugsgebiet der Oberen Donau zu entwickeln.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Against the background of Global Change, spatial and temporal data about soil nitrogen availability and nitrate leaching are of key importance for the development of an integrated (ground)water resources management. Within the GLOWA-Danube project, this study investigates the response of soil nitrogen dynamics to climatic changes in the Upper Danube basin. As a component of the integrated Global Change decision support system DANUBIA, the object-oriented and process-based soil nitrogen transformation model SNT was developed based on the CERES Maize 2.0 model approach. It simulates the most important soil nitrogen processes such as mineralisation/immobilisation, denitrification, nitrification, urea hydrolysis and nitrate leaching as well as the dynamics of two mineral nitrogen (nitrate and ammonium) and two organic nitrogen pools (fresh organic matter and humus). Applying a cross-scale and multi-criteria validation strategy, SNT was tested by comparing modelling results with measurements (covering a wide range of pedological and meteorological conditions in Germany). A sensitivity analysis was conducted to identify critical parameters and input data. Furthermore, in an uncertainty analysis, the influence of spatial resolution and regional data quality on model performance was assessed. Model application in the Upper Danube basin required upscaling from the microscale to the macroscale. Thus, the subscale modelling approach Geocomplexes was sucessfully tested and used for nitrogen modelling on the macroscale. Climate change impacts on soil nitrogen dynamics in the Upper Danube basin were quantified by comparing reference (1996 - 2000) and scenario results (2051 - 2055) assuming the meteorological trends of the IPCC-A1B scenario. Modelling results showed the suitability of SNT to reflect soil nitrogen dynamics under actual and future climate conditions. Therefore, SNT as part of DANUBIA will contribute to the development of effective strategies for a sustainable (ground)water resources management in the Upper Danube basin.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Klar, Christian Wilhelmchristian.klar@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-28235
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Klimawandel , Bodenstickstoffmodellierung , Wasserqualität , Integrative Modellierung , GLOWA-DanubeGerman
    Climate change , soil nitrogen modelling , water quality , integrated modelling , GLOWA-DanubeEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Geographisches Institut
    Language: German
    Date: 2009
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 01 July 2009
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 23 Sep 2009 11:07:24
    Referee
    NameAcademic Title
    Schneider, KarlProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2823

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