Anforderungen an die Datenerhebung und effiziente Datennutzung ARGE BOKLIMARGE BOKLIM

Allgemeine Mindestanforderungen

Zum Einsatz von Bodendaten aus Monitoring- und Erhebungsprogrammen für Frage-stellungen des Klimawandels und Klimafolgen bestehen zunächst allgemeine Minimal-anforderungen hinsichtlich:

a) Messstandorten,

ƒ Flächenrepräsentanz der Standorte bzgl. der räumlichen Verteilung der Bodenre-gionen und -landschaften, Landnutzungstypen und Bodenbedeckung; bzgl.

Wasserhaushalt und Bodenerosion durch Wasser auch hinsichtlich hydrologischer Einheiten

ƒ Bei rasterbezogenen Programmen eine hinreichende Messnetzdichte für die fragestellungsspezifisch angestrebte Maßstabsebene und Methoden zur Regional-isierung

ƒ Lage von Standorten in allen relevanten Boden- und Klimaregionen unter aus-gewählten Bewirtschaftungssystemen

ƒ Räumliche Auflösung des Messnetzes in Anpassung an die Heterogenität der rep-räsentierten Böden / Mindestanzahl von Standorten

ƒ Repräsentanz für Risikogebiete, die besonders von Klimaänderungen bzw. von deren Wirkungen auf die Böden betroffen sind

b) Untersuchungskonzept,

ƒ Zeitliche Auflösung (Messperiodizität) in Anpassung an die zeitliche Dynamik der jeweilige Messgröße unter Berücksichtigung von methodischen Effekten, die nichts mit der zeitlichen Entwicklung der Messgrößen zu tun haben

ƒ Einsatz genormter Verfahren nach aktuellem Stand der Technik5 sowie Gleichwer-tigkeitsnachweise beim Einsatz anderer Verfahren für Probenahme, Probenvor-bereitung und Analytik für Vergleichbarkeit und langfristige Messbeständigkeit

ƒ Kontinuität von Parameterumfang und gleichwertigen Untersuchungsverfahren, um einen Mindeststichprobenumfang bei Zeitreihen zu erreichen

ƒ Übertragbarkeit von Untersuchungsergebnissen auf Tiefenstufen von Böden und pedogenetische Bodenhorizonte

ƒ Möglichkeit zur Untersuchung von Rückstellproben bei langfristigen Programmen und sachgerechte Probenlagerung (z.B. tiefgefrorene Proben)

c) Untersuchungsumfang (Parameterspektrum) mit Bezug zu Fragestellungen der Klimafolgenforschung und -anpassung sowie

ƒ Untersuchung von Parametern, die potenziell von veränderten Klimaänderungen beeinflusst werden (klimasensitive Parameter) (siehe Kap. 3.1.4)

ƒ Untersuchung von Parametern, die sich einer konkreten Fragestellung zu Klima-folgen und Anpassung zuordnen lassen (z.B. N2O-Freisetzung zur Ermittlung des Beitrags der Böden zu Emissionen von Stickstoff in die Atmosphäre)

ƒ Untersuchung von Parametern, die als Indikatoren für die Wirkung auf zu beur-teilenden Bodenfunktionen hinreichend aussagekräftig sind (z.B. Humusabbau, Nährstoffretention)

d) Dokumentation, Datenhaltung und Datenverfügbarkeit.

ƒ Präzise Angaben zur räumlichen Lage von Messstandorten

5 Handbuch der Bodenuntersuchung (BLUME et al. 2010), VDLUFA-Methodenbuch (1991, 1996), Hand-buch Forstliche Analytik (BMELV 2007), LABO Bericht „Einrichtung und Betrieb von

Boden-Dauerbeobachtungsflächen“ (BARTH et al. 2001)

ƒ Einheitliche und aussagekräftige Datendokumentation (Metadaten) inkl. räumlicher Abdeckung, Parameter und Methoden, Anwendungsbereichen und Organisation

ƒ Einheitliche und vollständige Methoden-Dokumentation von der Probenahme bis zur Analytik (z.B. Methoden-Code) sowie zu Messunsicherheit und analytischer Qualitätssicherung

ƒ Dokumentiertes und übertragbares Datenformat

ƒ Datenverfügbarkeit oder Anfragemöglichkeit für Einzelnutzer und Forschergruppen an zentraler Stelle

ƒ Einheitlich geregelte Nutzungsbedingungen

ƒ Kontinuierliche Aktualisierung und Information

Themenspezifische Anforderungen

Welche Mindestanforderungen an einen Parametersatz für Anwendungen in der Klima-folgen- und -anpassungsforschung für einzelne Bodenprozesse gelten, ist in Tabelle 3.6 zusammengestellt.

Tab. 3.6: Themenspezifische Mindestanforderungen für Bodenmonitoringaktivitäten zur Anwendung in der Klimafolgen- und -anpassungsforschung

Thema Mindestparameterumfang Methodische Anforderungen (z.B. Probenahme, Analytik) Basisparame-ter: Korngröße, Gefüge, effektive Lagerungsdichte,

ƒ Temperatur der bodennahen Luft-schichten

ƒ Relief

ƒ Landnutzung

ƒ Wiederholungen in mehrjährigem Abstand für bodenphysikalische Pa-rameter und Humusform. Vor-schlag: alle 10 Jahre und nach be-sonderen Ereignissen wie z.B.

Grünlandumbruch

ƒ mindestens monatliche Messung des Grundwasserflurabstands für grundwasserbeeinflusste Standorte mit Grundwasserflurabstand < 1 m

ƒ Dokumentation des Grundwasser-managements für drainierte Acker- und Grünlandstandorte

Landnutzung und Bewirt-schaftung

ƒ Aktuelle und historische Landnut-zungs- und Bewirtschaftungsge-schichte:

o Fruchtfolge

o Ertragsniveau und Entzüge o Bedeckungsgrad (zeitlich /

räumlich)

o Düngungsregime und -intensität o Stoffbilanzen

ƒ fortlaufende Dokumentation der Nutzungs- und Bewirtschaftungsge-schichte inkl. Grünland, Forst und Sonderstandorte (Schlagkarteien, Aufnahmeblätter)

Erosion:

ƒ physikalische Basisparameter

ƒ Ermittlung der natürlichen Erosi-onsdisposition durch Wasser und/oder Wind

ƒ Kartierung aktueller Erosionsfor-men (Wind und/oder Wasser)

ƒ Wiederholungen in mehrjährigem Abstand

ƒ einmalig bei Einrichtung der Fläche

ƒ ereignisabhängig Verdichtung

ƒ physikalische Basisparameter ƒ Wiederholungen in mehrjährigem Abstand

Nichtstofflicher Bodenzustand

Ergänzend zur Erhebung der Einflussgrößen für Erosion und Verdichtung in beste-henden Zustandserhebungs- und Monitoringprogrammen ist eine direkte Überwa-chung des Erosionsgeschehens in der Landschaft bzw. im Einzugsgebiet erforderlich, wobei ein Bezug zu bestehenden Messstandorten hergestellt werden sollte.

Thema Mindestparameterumfang Methodische Anforderungen

ƒ Redoxpotenzial (in hydromorph geprägten Böden)

ƒ horizontbezogene Messung

ƒ langfristige und zeitlich hochauflö-sende Messung an bestehenden Standorten (z.B. Intensiv BDF)

ƒ tägliche Messung an ausgewählten Standorten (wünschenswert sind darüber hinaus Mehrfachmessun-gen am Tag, wobei die Zeitab-schnitte so gewählt werden sollten, dass Tagesmittel sinnvoll zu be-rechnen sind)

Stoffhaushalt, stoffliche Bo-denbelastung

ƒ Organische Bodensubstanz / Gelöste organische Substanz

ƒ Fraktionierung von Corg

ƒ Gehalte im Boden: Schwermetalle, organische Schadstoffe

ƒ mobile Fraktionen im Boden:

Schwermetalle, org. Schadstoffe

ƒ Gehalte im Sickerwasser:

Schwermetalle, organische Schadstoffe, Nitrat, pH-Wert

ƒ Fraktionierung der organischen Substanz in Messfrequenzen

< 5 Jahre

Boden-mikrobiologie

ƒ Mikrobielle Biomasse (Cmic) in-klusive abgeleiteter Kennwerte (qCO2, Cmic/Corg etc.)

ƒ Bodenenzymaktivitäten aus den C-, N-, P- und S-Kreisläufen (zu-mindest ein Vertreter)

ƒ Bodenwassergehalt

ƒ Organische Bodensubstanz / Ge-löste organische Substanz

ƒ (bioverfügbare) Nährstoff- Schad-stoffkonzentrationen

ƒ Beprobungs- und Messintervalle in einer Auflösung von kürzer als 1 Jahr, möglichst monatliche Auflösung

Bodenzoologie ƒ für mindestens eine Indikatorgrup-pe der Makrofauna (i.d.R. Regen-würmer) und der Mesofauna (z.B.

Enchytraeiden, Collembolen):

o Artenspektrum o Abundanz o Dominanz o Frequenz

o Biomasse (nur Regenwürmer)

ƒ vertikale Verteilung der untersuch-ten Mesofaunagruppe im Oberbo-den (Humusaktivitätsprofil)

ƒ obligatorische Erhebung auf Art-ebene

ƒ Zeitabstände für Wiederholungsun-tersuchungen der Regenwürmer und Enchytraeiden ≤ 10 Jahre

ƒ Zeitreihen stehen bei kürzeren Un-tersuchungsintervallen eher zur Verfügung; qualitative Veränderun-gen benötiVeränderun-gen andererseits Zeit, d.h. zu kurze Intervalle (1-2 Jahre) sind ebenfalls nicht sinnvoll.

Thema Mindestparameterumfang Methodische Anforderungen (z.B. Probenahme, Analytik) Klimarelevante

Gase

ƒ Freisetzung bzw. Bindung von CO2, N2O und CH4

ƒ Bodentemperatur, Bodenwasser-gehalt, N-Eintrag

ƒ Fraktionierung von Corg (insb. der leicht abbaubaren Fraktion)

ƒ Nitrat- und Ammonium-Gehalt im Boden

ƒ Mikrobielle Aktivität

ƒ direkte und kontinuierliche Messung von Freisetzung und Bindung (stündlich) an ausgewählten Stand-orten, ggf. in Kombination mit For-schungsansätzen

ƒ Fraktionierung der organischen Substanz in zeitlich hoch aufgelös-ten Messfrequenzen (Tage)

Spezielle Anforderungen der Klimamodellierung, Klimafolgen- und -anpas-sungsforschung

Von Seiten der Klimamodellierung sowie der Klimafolgen- und -anpassungsforschung bestehen spezielle Anforderungen⁶:

ƒ Daten zu Bodeneigenschaften sollen mit absoluter Messgenauigkeit und defi-nierten Messbedingungen vorliegen, damit die Unsicherheit bestimmt werden kann.

ƒ Neben den Daten ist vor allem die Beschreibung von Prozessen und Interakti-onen (System Boden – Vegetation – Atmosphäre) zu verbessern, die in Klimamo-delle und MoKlimamo-delle für die Klimafolgenforschung eingehen. Dies gilt insbesondere in Bezug auf steigende CO₂-Gehalte, Pflanzenwachstum und Verdunstung. Bei den aus Mittelwerten abgeleiteten Verdunstungsverfahren wie z.B. nach HAUDE stellt sich die Frage, ob diese für zukünftige Klimaszenarien valide sind, wenn Extrem-ereignisse häufiger werden und diese das Pflanzenwachstum prägen.

ƒ Defizite bei der Datengewinnung für die Parametrisierung von Bodenkenn-größen wie sie im oben beschriebenen COSMO-CLM (siehe Kap. 3.1.2) durchge-führt wird, sind zu beheben. So können z.B. im geologischen Bereich die Informa-tionen aus einer Lithofazieskarte Quartär (LFQ) z.T. nur mittels Interpolation ge-wonnen werden. Darüber hinaus werden die Angaben zur Mächtigkeit der einzel-nen Schichten, wo keine Dokumentationspunkte sind, nur näherungsweise ge-schätzt. Des Weiteren ist festzustellen, dass die Zuverlässigkeit und Genauigkeit

6 Die Ausführungen wurden mit freundlicher Unterstützung von Vertretern der BTU Cottbus, des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-M) in Hamburg, des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume (LLUR) Schleswig-Holstein, des Landesamtes für Geologie und Bergwesen Sachsen-Anhalt und des Johann Heinrich von Thünen-Instituts (vTI) in Braunschweig erarbeitet.

der Aussage mit der Tiefe sinkt. Diese Unsicherheit ist zurückzuführen auf die un-sichere Zuordnung der Bodenarten zu den Substraten im Untergrund, da die Ge-nauigkeit der LKQ-Einheiten beschränkt ist.

ƒ Daten zu den physikalischen Eigenschaften der Böden sollten zum Teil besser verfügbar gemacht werden. Defizite bestehen bei der Trockenrohdichte und allge-mein bei Torfarten.

ƒ Flächendeckende und einheitliche Informationen zur Verbreitung von Bodenar-ten über Ländergrenzen hinweg sollten auch für mittlere Maßstäbe verfügbar sein. Derzeit stehen sie nur für kleine Maßstäbe zur Verfügung (z.B. Bodenüber-sichtskarten 1 : 200.000). Hier werden (auch für andere Zwecke) flächendeckende (länderübergreifende) mittelmaßstäbige Daten z.B. im Maßstab 1 : 25.000 bis 1 : 50.000 benötigt, die einheitlich auswertbar sind.

ƒ Informationen über chemische Eigenschaften der Böden sollten aktuell und in Abhängigkeit der Landnutzungsentwicklung zur Verfügung stehen. Derzeit werden sie häufig mit Hilfe vergleichsweise alten Daten (> 20 Jahre) in Modellen berücksi-chtigt, die die aktuellen Verhältnisse ggf. nur bedingt widerspiegeln. Da die chemi-schen Bodeneigenschaften zum Teil von der Landnutzung abhängen, sind hier bei bestimmten Stoffen in den letzten Jahren Veränderungen aufgetreten (pH-Wert, Nährstoffgehalte, Humusgehalte).

ƒ Änderungen des Profilaufbaus ackerbaulich genutzter Böden sollten in Boden-karten berücksichtigt werden. Im Rahmen der konventionellen Landtechnik wird heute zum Teil in größerer Bodentiefe bearbeitet als früher, so dass die Oberbö-den meist mächtiger sind als in der Vergangenheit. Demgegenüber wird in Deutschland vermehrt die konservierende Bodenbearbeitung eingesetzt, die den Boden durch spezielle Techniken nahe oder an der Oberfläche bearbeitet. Diese Eigenschaften werden in den vorhandenen Übersichtsbodenkarten unzureichend berücksichtigt und könnten bei Karten größerer Maßstäbe oder in Modellbetrach-tungen sinnvoll eingebracht werden.

ƒ Häufig werden Bodentypen mit Hilfe von Pedotransferfunktionen ableitbare Bo-deneigenschaften zugeordnet. Die Aussage über die Güte einer Pedotransfer-funktion kann verbessert werden, wenn die Datensätze, die für

Bodeneigenschaf-ten je Bodenart benötigt werden, gesammelt und mit statistischen Verfahren aus-gewertet werden.

ƒ Die besonders bedeutsamen Parameter, die den Wasserhaushalt steuern, z.B.

auch die Grundwassernähe eines Standorts, sollten aus Karten ableitbar sein. In den neuen Ländern kann sie Grundwassernähe z.B. aus mittelmaßstäbigen Karten (MMK) sehr gut abgeleitet werden, in den alten Ländern liegt sie nicht vor. Defizite bestehen hinsichtlich von Angaben zu Stauwassereinfluss und Zwischenabfluss.

ƒ Von besonderer Bedeutung ist das Problem, dass die Messung von benötigten Bodeneigenschaften i.d.R. auf der Punktskala stattfindet und eine Übertragung von punkthaften Bodendaten auf größere Flächen erforderlich ist (Upscaling).

Klimamodelle nutzen z.B. Rasterflächen zur Darstellung der Landoberfläche. Die-se reichen von 1 x 1 km bis 50 x 50 km bei regionalen Klimamodellen bis hin zu 200 x 200 km bei globalen Klimamodellen. Das heißt Bodenparameter für Klima-modelle müssen für die Rasterauflösung nutzbar sein. Dazu ist entweder eine hö-here subskalige Auflösung notwendig, z.B. 500 x 500 m, oder aber geeignete In-formationen bezüglich der subskaligen Variabilität.

ƒ Parametermessungen sind weiterhin häufig ortspezifisch. Sie sollten aber weitge-hend auf andere Regionen übertragbar sein, die die gleiche Bodenart oder die gleiche Leitbodenform haben. Zur Regionalisierung sind somit standardisierte Werte notwendig.

ƒ Für die Nutzbarkeit von Bodendaten in der Klimamodellevaluierung ist ein einheit-liches Format unabdingbar. Daher wäre eine Abstimmung der datenhaltenden In-stitutionen mit potenziellen Nutzern im Vorfeld eines Projektes sehr sinnvoll.

Fazit:

Um das Anwendungspotenzial der Bodendaten in der Klimamodellierung, Klimafolgen- und -anpassungsforschung zu verbessern und weiter auszubauen, sollten die darge-stellten Defizite zwischen den genannten datenerhebenden Behörden und Institutionen sowie den Datennutzern erörtert werden. Ziel muss es sein, nach gemeinsamen Lö-sungswegen zu suchen.

3.2 EIGNUNG VON DATEN AUS BODENMONITORING UND

Im Dokument Anwendung von Boden- daten in der Klima- forschung (Seite 64-72)