Annual Meeting of the Soil Science Society of Switzerland and the

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www.soil.ch www.dbges.de

2019

Jahrestagung der Bodenkundlichen Gesellschaft der Schweiz und der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft Bern, 24. – 29. August 2019

Annual Meeting of the Soil Science Society of Switzerland and the

German Soil Science Society

Bern, 24th to 29th of August 2019

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Universität Tübingen, Bodenkunde und Geomorphologie, Tübingen

Session: AG Digital Soil Mapping S1 – Digital Soil Mapping: Neue Methoden in Forschung und Anwendung Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00

Ort: HS 101

Abstract:

Die meisten Verfahren des maschinellen Lernens benötigen Trainingsdatensätze, in denen alle Klassen mit ähnlichen Häufigkeiten vertreten sind – auch wenn dies nicht der natürlichen Häufigkeitsverteilung entspricht. Dies liegt in den Algorithmen begründet. Ein Beispiel sind Ensembleverfahren, die mehrere Prognosen mitteln, um die Varianzen zu minimieren und so höhere Prognosegüten zu erreichen. Ist eine Klasse, d.h. ein Bodentyp bzw. eine Bodenform, nur mit wenigen Proben im Datensatz vertreten, kann dies dazu führen, dass sie durch die aggregierte Entscheidung im Ensemble falsch klassifiziert und damit nicht mehr im finalen Modell vertreten ist. Demgegenüber werden Klassen mit vielen Proben weiter verstärkt, da sie im Ensemble zwangsweise ein höheres Gewicht haben. Dies ist ein bekanntes Problem im Bereich des Maschinellen Lernens. Datensätze, die keine annähernd gleiche Verteilung der einzelnen Klassen aufweisen werden als „nicht ausgewogen“ (imbalanced) bezeichnet. Da die meisten bodenkundlichen Datensätze demnach nicht ausgewogen sind, muss eine Vorprozessierung der Daten erfolgen. Hier vergleichen wir unterschiedliche Stichprobenverfahren, um die Datensätze in einen ausgewogenen Zustand zu versetzen. Des Weiteren vergleichen wir den Einfluss dieser Verfahren auf unterschiedliche Algorithmen des Maschinellen Lernens. Als

Datensatz dient ein Stichprobensatz aus dem Iran, der 5371 Proben für die gesamte Landesfläche umfasst. Die höchste Steigerung von 16% in der Vorhersagegenauigkeit konnte mit SMOTE (Synthetic Minority Oversampling Technique) erreicht werden. Darüber hinaus verbesserte die Kombination aus Random Forests und SMOTE die Vorhersage kleinerer Bodenklassen, z.B. Chernozeme, signifikant.

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3 Spatio-temporal processing of geo information for digital soil mapping in

Switzerland

F. Stumpf¹, A. Keller², K. Schmidt³, T. Behrens⁴, R. Meuli²

1Agroscope-Reckenholz, Zürich; ²Agroscope, Swiss Soil Monitoring Network, Zürich (Schweiz); ³University of Tuebingen, Soil Science and Geomorphology, Tübingen (Deutschland); ⁴Soilution GbR, Heusweller (Deutschland)

Ort: HS 101

Abstract:

Digital Soil Mapping (DSM) is based on linking extensively available covariates with soil observations to describe the soil-landscape relationship. While DSM covariates can be derived for large scales using remote sensing techniques, soil observations mostly stem from various soil surveys with different designs and methods. Moreover, both DSM covariates and legacy soil data usually reflect static soil conditions, disregarding variations in space and time. Thus, DSM input data requires preprocessing in context of harmonizing legacy soil data and incorporating spatio-temporal soil variations.

In this talk, we present procedures for preprocessing DSM input data on vegetation, climate, terrain, and soil at national scale for a Swiss DSM data repository. First, we acquired pixelwise time series of spectral and climate data to derive dynamics of vegetation and climate between 1975 and 2018. Spectral imagery stem from different satellite based sensors of the Landsat programme, which we harmonized by cross-calibration for deriving various vegetation indices in a spatial resolution of 30 x 30 m. Climate data originate from MeteoSwiss and provide gridded data on precipitation, temperature, and sunshine duration in a spatial resolution of 2 x 2 km. Second, we conducted a multi-scale terrain analysis to adequately capture scale dependent processes affecting the soil-landscape relationship. We used a digital elevation model in a spatial resolution of 10 x 10 m to derive a set of local and regional terrain attributes. Each terrain attribute was calculated for multiple local average filters with varying filter sizes to produce hierarchies of spatial components. Third, we adjusted legacy soil data, which originate from various soil surveys across Switzerland over the past five decades. Selecting topsoil organic carbon (SOC) as an example, we rectified SOC values in terms of sampling depth, temporal variations, labels, coordinate system, and analytical methods. Temporal correction of the SOC values is based on 314 time series from monitoring sites with repeated SOC measurements for at least 25 years. We identified classes of typical temporal SOC variations, which we attributed to each legacy SOC observation to update the original SOC values based on local land use dynamics, climate and terrain conditions. The repository for standardized DSM data is a cornerstone for a wide scope of ecological applications in the context of Swiss soils.

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4 Angebot und Nachfrage von Bodeninformationen in der Schweiz: was bedeutet dies für die heutige Kartierungsmethode?

A. Keller¹, K. Rehbein¹, L. Klauser¹, M. Stokar von Neuforn¹, C. Sprecher¹

1Agroscope, Nationale Bodenbeobachtung NABO, Zürich

Ort: HS 101

Abstract:

Für eine nachhaltige Nutzung des Bodens ist die Verfügbarkeit zuverlässiger Bodeninformationen unabdingbar. Das 2018 abgeschlossene Nationale Forschungsprogramm «Nachhaltige Nutzung der Ressource Boden» (NFP 68) liefert die dazugehörigen Argumente: Das Wissen zum Aufbau und zu den Eigenschaften der Böden sowie zu ihrer Qualität und Nutzungseignung bilden die Grundlage für Massnahmen für die Ernährungssicherheit, Raumplanung, Land- und Forstwirtschaft sowie Boden-, Klima-, Hochwasser- und Biodiversitätsschutz. Entsprechend gross und vielfältig sind die Interessen zur Nutzung von Bodeninformationen. Die Befragungen von Bedarfsgruppen haben deutlich gemacht, dass weniger die eigentlichen Basisdaten einer Bodenkartierung nachgefragt werden; von hauptsächlichem Interesse sind vielmehr daraus abgeleitete, für die Anwendung interdisziplinär aufbereitete, verständliche Kartenwerke. Von zentraler Bedeutung ist der Dialog zwischen den Bedarfsgruppen und den bodenkundlichen Fachpersonen. Dem grossen Bedarf an Bodeninformationen stehen in der Schweiz jedoch grosse Datenlücken und eine seit längerem fehlende nationale Koordination gegenüber. Die Schweiz ist bei der Erhebung von Bodeninformationen international im Rückstand. In guter Qualität liegen heute nur zu 13% der Landwirtschaftsflächen der Schweiz Bodenkarten vor. Seit der Aufhebung des Nationalen Bodenkartierungsdienstes im Jahre 1996 sind in der Schweiz durchschnittlich pro Jahr gerade einmal 2400 Hektaren Boden kartiert worden. Dies entspricht in etwa der gleichen Fläche, die pro Jahr durch Versiegelung verloren geht. Dabei müsste in spätestens 10 bis 15 Jahren bekannt sein, wo die Böden mit hoher Bodenqualität liegen, die auf keinen Fall überbaut werden sollten. Dann nämlich, wenn es in den Kantonen mit der erneuten Überarbeitung der kantonalen Richtpläne zu einer weiteren Einzonungswelle für Bauzonen kommen kann. Zur Verbesserung der Koordination der Schweizer Bodeninformationen wird in diesem Jahr mit dem Aufbau eines nationalen

Kompetenzzentrums Boden begonnen. Der Vortrag stellt Angebot und Nachfrage von Bodeninformationen aus aktuellen Studien aus der Schweiz gegenüber und leitet daraus Eckpunkte und notwendige Anforderungen ab, die eine zukünftige Kartierungsmethodik erfüllen sollte.

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5 Räumliche Prognose der Humuseigenschaften von Waldböden

C. Becker¹, R. Petzold¹, K. Schmidt², T. Behrens², F. Thomas³, U. Werban³, T. Scholten²

1Staatsbetrieb Sachsenforst, Bodenmonitoring/Standortserkundung/Labor , Pirna, OT Graupa; ²Eberhard Karls Universität Tübingen, Lehrstuhl für Bodenkunde und Geomorphologie, Tübingen; ³Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Monitoring- und Erkundungstechnologien, Leipzig

Ort: HS 101

Abstract:

Die praxisnahe Darstellung von Zustands- bzw. Humuseigenschaften in Karten ist Verfahrensbestandteil der Forstlichen Standortskartierung in den ostdeutschen Bundesländern. Dabei ist die Humusform bodenchemisch über pH-Wert, C/N- Verhältnis und Basensättigung in der Humusauflage und der obersten Mineralbodenschicht definiert. Während im nordostdeutschen Tiefland ein Ansatz über den Zeigerwert der Bodenvegetation etabliert ist, fehlt bisher eine entsprechende Methode für die Standortsregionen Mittelgebirge und Hügelland. In unserem Beitrag werden wir einen datengetriebenen Ansatz vorstellen. Dabei ist das Ziel, über vereinfachte Messverfahren (VNIR-Spektroskopie), Verdichtung und räumliche Optimierung der Probennahme sowie robuste Modellierungstechniken mit geringem Prozessierungsaufwand räumlich differenzierte Humusinformationen für die nachhaltige Waldbewirtschaftung bereitzustellen. Um eine hinreichend genaue Vorhersage zu gewährleisten, werden flächenhafte Informationen des Reliefs, Bodens, Klimas, der Vegetation, Geologie, geographischen Lage und anthropogenen Einflüsse als Prädiktoren verwendet. Die Modelle werden anhand der Analysedaten von sächsischen Humusproben aus der BZE-II, deren räumlicher Verdichtung und zusätzlichen Beprobungen in Testgebieten trainiert und validiert.

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6 Skalenabhängige Modellierung des Kohlenstoffvorrats einer Eisrandregion in Westgrönland

P. Gries¹, T. Behrens¹, T. Scholten¹, J. Henkner¹, P. Kühn¹, K. Schmidt¹

1Universität Tübingen, Fachbereich Geowissenschaften, Lehrstuhl für Bodenkunde und Geomorphologie, Tübingen

Ort: HS 101

Abstract:

Die obersten 300 cm arktischer Böden speichern ca. 50 % der weltweiten Bodenkohlenstoffvorräte. Aufgrund der lückenhaften Datenlage weisen die Berechnungen des Kohlenstoffvorrats von permafrost-beeinflussten Böden hohe Unsicherheiten auf. In Grönland führen mit unterschiedlicher Entfernung zum Eisrand wechselnde regionale Klima- und Umweltbedingungen zu räumlich und skalenabhängig variierenden Kohlenstoffvorräten. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die flächendeckende Modellierung des Kohlenstoffvorrats. Dabei werden Verfahren des Maschinellen Lernens und des skalenbasierten Ansatz des contextual soil mappings kombiniert. Die Ziele sind (i) die Identifikation relevanter

Umwelteigenschaften im Hinblick auf die räumliche Verteilung der Kohlenstoffvorräte und (ii) deren Berechnung für eine Eisrandregion in Westgrönland. Insgesamt liegen Bodeninformationen zu 140 Standorten in Westgrönland vor, die sich auf zwei Untersuchungsgebiete am Eisrand verteilen, die nordwestlich des Russells Gletschers und weiter südlich im Umimmalissuaq Tal liegen. . Die Datengrundlage für die Modellierung umfasst neben den Bodendaten Reliefparameter unterschiedlicher Skalenebenen sowie Fernerkundungsdaten. Erste Ergebnisse zeigen, dass in beiden

Untersuchungsgebieten unterschiedliche Skalenniveaus der Profilkrümmung und der Exposition die räumliche Verbreitung der Kohlenstoffvorräte am besten vorhersagen. Die Profilkrümmung repräsentiert die bodengenetisch relevanten Aspekte der vorherrschenden Geomorphologie (Moränenlandschaft), die Exposition die für die Eisrandregion typischen katabatischen Winde wie auch die Intensität der Sonneneinstrahlung. Die katabatischen Winde schränken die Biomasseproduktion an ostexponierten windzugewandten Lagen der Moränen ein, die mit 5,9 kg m^-2einen niedrigen Kohlenstoffvorrat aufweisen. In windgeschützten Bereichen und Tiefenlinien ist der Kohlenstoffvorrat mit 12,4 kg m^-2 aufgrund besserer Wachstumsbedingungen (Bodenfeuchte, Einstrahlung) doppelt so groß.

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7 Räumlicher Kontext und räumliche Abhängigkeiten - Maschinelles Lernen in der Boden-Landschaftsmodellierung

T. Behrens

Universität Tübingen, Bodenkunde und Geomorphologie, Tübingen

Ort: HS 101

Abstract:

Der räumliche Kontext und die in ihm ablaufenden komplexen Interaktionen zwischen Umweltvariablen beeinflussen die Bodenbildung auf unterschiedlichen Skalenebenen. Darüber hinaus zeigen sich in den Bodendaten oftmals räumliche Abhängigkeiten in Form von Autokorrelationen und Nicht-Stationaritäten (Behrens et al., 2018a). Bisher sind jedoch erst wenige Verfahren beschrieben, die es erlauben den räumlichen Kontext zu erfassen und in Form eines explizit

räumlichen maschinellen Lernens nutzbar zu machen. Dieser Vortrag zeigt Beispiele aus der aktuellen Forschung wie dies gelingen kann. Dazu zählen insbesondere Verfahren aus dem Bereich des Feature-Engineerings. Zum einen zeigen wir einen effizienten Modellierungsansatz auf Basis Gauß’scher Pyramiden. Eine Gauß’sche Pyramide kann genutzt werden, um einen Datensatz in unterschiedliche Skalenebenen zu zerlegen. Diese Skalenebenen können dann, mit Hilfe von Verfahren des Maschinellen Lernens, für Prognosen genutzt werden und die bodengenetisch relevanten Skalenebenen ermittelt werden (Behrens et al., 2018b). Der Hauptvorteil der Gauß‘schen Pyramide ist die gute Interpretierbarkeit der Parameter Ergebnisse. Wir stellen unterschiedliche Skalierungsansätze vor, die mit Hilfe der Gauß’schen Pyramide möglich sind und analysieren ihre jeweilige Eignung für die digitale Bodenkartierung (Behrens et al., 2018c). Des Weiteren stellen wir Euklidische Distanztransformationen vor, die es erlauben mit Hilfe von klassischen Verfahren des Maschinellen Lernens (Random Forests, Neuronale Netze, Support Vector Machines) Daten räumlich, analog zur Kriging oder IDW-Verfahren, zu interpolieren (Behrens et al., 2018a). Abschließend besprechen wir Konzepte, wie die Daten und Modelle analysiert und pedologisch interpretiert werden können.

Literatur/References:

Behrens, T., Schmidt, K., Rossel, R.A., Gries, P., Scholten, T., MacMillan, R.A. (2018): Spatial modelling with Euclidean distance fields and machine learning. Eur J Soil Sci. 69, 5.

Behrens, T., Schmidt, K., MacMillan, R.A., Viscarra Rossel, R. (2018): Multi-scale Digital Soil Mapping with deep learning. Scientific Reports 8,15244.

Behrens, T., Schmidt, K., MacMillan, R.A., Viscarra Rossel, R.A. (2017): Multiscale contextual spatial modelling with the Gaussian scale space. Geoderma 310: 128-137.

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8 Ecosystem carbon losses from intensive crop rotations in southwest Germany

A. Poyda¹, H. Wizemann², J. Ingwersen², R. Eshonkulov², P. Högy², M. S. Demyan³, P. Kremer², V. Wulfmeyer², T.

Streck²

1CAU Kiel, Grünland und Futterbau, Kiel; ²Hohenheim; ³Columbus, Ohio, USA

Session: K VI S1.1 – Bodenschutz in der Landwirtschaft Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00

Ort: HS 110

Abstract:

The agricultural utilization of soils has the potential to either mitigate or contribute to global climate change by increasing or decreasing soil organic carbon (SOC) stocks. Due to a change and intensification in land use, carbon dioxide (CO2) emissions from German croplands, reported under the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), have continuously increased over the past decades as a result of SOC losses. Scientific surveys, however, have shown contrasting results on the C sink or source function of European croplands depending on the chosen method and consistency in management of crop rotations. Over a period of eight years (2010-2017), we measured the net ecosystem exchange (NEE) of CO2 on six intensively managed cropland sites in two climatically different regions of southwest Germany (Kraichgau and Swabian Jura) using the eddy covariance technique. Additionally, we measured aboveground crop biomass at three development stages and monitored the SOC concentrations of the study sites.

Furthermore, management-related C inputs and exports were considered for annual C budgets. The inter-annual on-site variability of cumulated annual NEE was large, and neither the region nor the different sites significantly affected NEE budgets. The mean annual NEE in the years with winter rapeseed harvest was significantly lower compared to winter wheat, silage maize and winter barley. On average over 46 site-years, annual NEE showed a distinct CO2 uptake of - 2,580 kg CO2-C ha^-1 yr^-1. Considering management-related C fluxes, the resulting net biome productivity (NBP) indicated the study sites were a C source with mean annual losses of 1,190 kg C ha^-1 yr^-1. Due to high C removals after whole plant harvests, silage maize cropping resulted in significantly higher C losses of 4,280 kg C ha^-1 yr^-1 than winter rapeseed, winter wheat and winter barley (1,430, -188 and -1,340 kg C ha^-1 yr^-1, respectively). Consequently, a higher share of exported C in annual NBP resulted in higher C losses. We conclude that the recently increased importance of silage maize in crop rotations destabilizes SOC stocks, threatening the efforts in enhancing soil C sequestration. Our results challenge the growing of bioenergy maize as a mitigation measure for CO2 emissions from fossil fuels and call for further investigations on the C sequestration potentials of more diverse crop rotations including perennial phases.

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9 Wurzelnahe Platzierung von mineralischem Harnstoffdünger im Side-Dressing- Verfahren - eine ackerbauliche und umweltseitige Verfahrensbewertung

F. Eißner¹, J. Bischoff², N. Rauch³, J. Rücknagel¹, I. Kühling¹, T. Kreuter⁴, C. Schuster⁵, F. Schäfer³, N. Tauchnitz², A.

Simon⁶, F. X. Maidl⁶, K. J. Hülsbergen⁶, J. Augustin⁷, H. Stichnothe⁸, M. Grunert⁹, F. Böttcher¹⁰, O. Christen¹

1Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Allgemeiner Pflanzenbau & Ökologischer Landbau, Halle (Saale);

2Landesanstalt für Landwirtschaft und Gartenbau Sachsen-Anhalt, Bernburg-Strenzfeld; ³RAUCH Landmaschinenfabrik GmbH, Sinzheim; ⁴SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH, Landwirtschaftliche Anwendungsforschung Cunnersdorf, Cunnersdorf; ⁵SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH, Forschung und Entwicklung, Lutherstadt Wittenberg; ⁶TU München, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme, Freising; ⁷Leibniz-Zentrum für

Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V, Arbeitsgruppe: Isotopen-Biogeochemie & Gasflüsse, Müncheberg; ⁸Thünen Institut, Institut für Agrartechnologie, Braunschweig; ⁹Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Fachbereich Pflanzliche Erzeugung, Nossen; ¹⁰Deutscher Wetterdienst, Agrarmeteorologie, Leipzig

Ort: HS 110

Abstract:

Die mineralische Stickstoff (N)-Düngung nimmt im aktuellen gesellschaftlichen Diskurs um Ressourceneffizienz und Umweltwirkung von Düngungsmaßnahmen eine führende Rolle ein. Unterstrichen wird dies zusätzlich durch die Nichterfüllung nationaler Minderungsziele der Bundesrepublik Deutschland für Nitrat, Lachgas (N2O) und Ammoniak (NH3). Diese Brisanz der Diskussion projiziert sich insbesondere auf Harnstoff, die nach Kalkammonsalpeter am zweithäufigsten eingesetzte Mineral-N-Form in Deutschland. Ziel des vorliegenden Projektes war die ackerbauliche und umweltseitige Prüfung eines neuen Applikationsverfahrens für Harnstoffdünger, dem Side-Dressing-Verfahren. In einem einheitlichen Fruchtfolgeversuch (Winterraps-Winterweizen-Wintergerste) an drei Standorten in Deutschland

(Roggenstein – Bayern, Cunnersdorf – Sachsen, Bernburg-Strenzfeld – Sachsen-Anhalt) wurde die Applikation von Harnstoff im Side-Dressing-Verfahren verglichen mit oberflächlich applizierten Harnstoff mit und ohne Nitrifikations- und Ureaseinhibitoren sowie einer ungedüngten Kontrolle. Gemeinsam mit einem etablierten Düngetechnikhersteller wurde ein Side-Dressing-Prototyp entwickelt. Mit diesem wird der granulierte Harnstoff ca. 5-7 cm zwischen jeder zweiten Reihe bei Getreide (12,5 cm Reihenabstand) und jeder Reihe bei Winterraps (37,5 cm Einzelkornsaatreihenabstand) als Düngerband in den Boden injiziert. Dies ist bis zum Beginn der Schossphase möglich. Eine differenzierte Bewertung des Side-Dressing-Verfahrens unter den Aspekten der Reduzierung von N2O- und NH3- Verlusten sowie der ackerbaulichen Eignung ist möglich, da alle Prüfglieder des Versuches einem intensiven Untersuchungsprogramm unterzogen wurden.

Für die Versuchsjahre 2016/2017 und 2017/2018 liegen die Ergebnisse von kontinuierlichen N2O- und NH3-

Beprobungen ebenso vor, wie sämtliche Korn-und Stroherträge, Qualitäten und N-Entzüge der Erntegüter. Begleitend wurden lückenlos Nmin- und Bodenfeuchtedaten sowie weitere agrarmeteorologische Kennwerte erhoben. Bisherige Ergebnisse weisen ein standortdifferenziertes NH3-Minderungspotenzial des Side-Dressing-Verfahrens gegenüber herkömmlichen Applikationsverfahren aus. Die N2O-Verluste bewegen sich an allen Standorten deutlich unter 1 kg N ha^-

1 a^-1. Ertragliche Vorteile des Side-Dressing-Verfahrens können standort- und kulturartendifferenziert ebenfalls verzeichnet werden.

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10 Can recycling fertilizers increase soil carbon stocks, nutrient use efficiency and yield? Findings of a Swiss on-farm study analyzing 59 agricultural fields

C. Herzog¹, M. Roser¹, S. Romdhane², L. Philippot², J. Fuchs³, J. Mayer¹, F. Walder¹, M. G. van der Heijden¹

1Agroscope, Agroecology and Environment, Zurich, Switzerland; ²INRA, UMR 1347 Agroecology, Dijon, France; ³FiBL, Department of Crop Sciences, Frick, Switzerland

Ort: HS 110

Abstract:

Intensified agricultural practices such as high inputs of mineral fertilizer have led to environmental concerns like soil degradation, pollution, biodiversity loss and climate change. Moreover, the storage of carbon in agricultural soils has recently gained increased attention. A partial replacement of mineral- with recycling fertilizer such as green waste compost or solid biogas digestate is one specific approach, which has potential to promote sustainable agriculture and contribute to carbon storage in the soil. There is increased attention for this approach because field experiments showed that green waste compost application increased soil organic carbon (SOC) stocks by specifically enhancing the stable SOC fraction and by promoting a higher nitrogen use efficiency (NUE) without negatively affecting yield. Moreover, with the growing need for renewable energy, solid biogas digestate will likely gain importance in the near future but studies showed lower beneficial effects on SOC stocks and NUE. Our aim was to explore if the results of controlled studies are transferable to on-farm settings. We therefore investigated 59 winter wheat fields of a farmer network comprising conventional and organic farms with fields where either green waste compost, solid biogas digestate or neither of these had been applied. We tested (1) the effect of compost application on soil carbon stocks, NUE and yield in conventional and organic fields and (2) the effect of digestate application in conventional farming, as solid digestate seem not to be widely applied in organic farms. Finally, we used next generation sequencing and tested whether compost and digestate application influenced the soil microbiome and soil microbial communities. We found that compost application was associated with a significant increase in carbon stocks while compost application did not affect NUE and yield. Digestate application, however, showed a non-significant tendency for lower carbon stocks, higher NUE and higher yields

compared to compost use. Moreover, fields with compost application had enhanced microbial biomass and contained distinct microbial communities with specific indicator taxa. Our results demonstrate that compost treatment has a clear potential to enhance soil carbon stocks at the farm-level. Our results indicate that compost application contributes to improve soil quality and can help to reduce the environmental impact of agriculture while feeding the growing world population.

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11 Measurement, Simulation and Assessment of Greenhouse Gas Balances in

Bioenergy Production Systems

H. Kage¹, T. Räbiger¹, I. Pahlmann¹, D. Neukam¹

1Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung, Kiel

Ort: HS 110

Abstract:

The European Union aims to reach a share of renewable energy source of 20% in 2020. In Germany currently about 7.6% of the total primary energy consumption is delivered from bioenergy sources, including energy from dedicated energy crops and fire wood. Bioenergy crops thereby occupy about 2 million ha or 16% of the arable land. For the biofuel pathway minimum GHG mitigation goals are in force based on specific CO2-emission reduction per unit energy of biofuel. For mitigation calculation the direct and indirect emissions of N2O play a major role, but methods based on IPCC national inventory emission factors may not be suitable for optimizing GHG balances on specific sites in terms of N rates and other management factors including the choice of the energy crop. Results from two three year collaborative research projects in Germany were yields and N2O-emissions were measured for oilseed rape and silage maize on 5 sites will be presented. In general, N2O emission rates were lower than the IPCC emission factors suggest but large differences between crops, sites and years exist. The data are analyzed with a dynamic simulation model capable of predicting yield and direct and indirect N2O-emission responses to N rate in interaction with soil and weather conditions.

The assessment of bioenergy production systems is currently based on the specific GHG emission per unit of biofuel energy. Alternatively GHG balances can be used to compare systems and sites. I will be shown that the indicator specific GHG emission is misleading for the calculation of optimum production intensity.

Ruser, R., Fuß, R., Andres, M., Hegewald, H., Kesenheimer, K., Köbke, S., Räbiger, T., Quinones, T.S., Augustin, J., Christen, O., Dittert, K., Kage, H., Lewandowski, I., Prochnow, A., Stichnothe, H., Flessa, H., 2017. Nitrous oxide emissions from winter oilseed rape cultivation. Agriculture, Ecosystems & Environment 249, 57-69.

Pahlmann, I., Bottcher, U., Sieling, K., Kage, H., 2013. Possible impact of the Renewable Energy Directive on N fertilization intensity and yield of winter oilseed rape in different cropping systems. Biomass Bioenerg. 57, 168-179.

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12 Eignen sich mehrjährige Energiepflanzen für den Anbau auf Pseudogleyen, wie interagieren sie mit dem Boden und welche Erträge dürfen erwartet werden?

T. Ruf¹, V. Audu¹, K. Holzhauser¹, C. Emmerling¹

1Universität Trier, Bodenkunde, Trier

Ort: HS 110

Abstract:

Der Anbau von Energiepflanzen in der Landwirtschaft wurde in den letzten zwei Jahrzehnten stark forciert um fossile Energieträger zu ersetzen und somit Klimaschutzziele zu erreichen. Allerdings sind die Nachhaltigkeit und

Klimaschutzwirkung von intensiv bewirtschafteten Energiepflanzenanbausystemen fraglich. Die nicht an standörtliche Gegebenheiten angepasste Bewirtschaftung des Maisanbaus, welcher sich unter mitteleuropäischen Klimabedingungen als das flächenökonomischste Anbausystem zur Biogasproduktion erwies, kann zu starken Bodenschädigungen und – funktionsverlust führen. Neben der Bodenerosion und dem Humusverlust stellt die Bodenschadverdichtung eine bedeutende Gefährdung dar, wobei der letztgenannten nur bedingt durch eine angepasste Bewirtschaftung begegnet werden kann. Gefährdet sind insbesondere Pseudogleye, die zur Maisernte im Spätherbst typischerweise hohe Bodenwassergehalte und somit eine geringe Tragfähigkeit aufweisen. Der Anbau von Dauerkulturen könnte hier Abhilfe leisten, da zum einen die Ernte deutlich früher und somit unter trockeneren Bodenbedingungen stattfindet, zum anderen die Tragfähigkeit der Böden durch die intensive Durchwurzelung generell erhöht wird. Allerdings lagen bislang keine Erkenntnisse über die Eignung von vielversprechenden Dauerkulturen zur Biogasnutzung, wie der Durchwachsenden Silphie (Silphium perfoliatum L.), dem Riesenweizengras (Agropyron elongatum) oder dem Riesenknöterich (Fallopia sachalinensis) unter staunass-wechselfeuchten Standortbedingungen vor. Im Rahmen eines zweijährigen Mesokosmen- Experimentes wurde das Wuchsverhalten, die Eigenschaften der Substrate zur anaeroben Vergärung und die

Auswirkungen auf bodenchemische und -biologische Parameter jeweils gegenüber einer nicht-staunassen Kontrollvariante untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die o.g. Dauerkulturen auf staunass-wechselfeuchten Standorten (Pseudogleyen) hohe Biomasseerträge liefern können und ihre spezifischen Energieerträge nicht durch diese Standortbedingungen beeinflusst werden. Weiterhin wurden interessante Pflanzen-Boden Interaktionen wie beispielsweise eine hohe mikrobielle Aktivitäten und aerobe Atmungsraten beobachtet, die pflanzenmorphologische und –physiologische Anpassungen an hohe Bodenwassergehalte implizieren. Die Ergebnisse legen in erster Instanz nahe, dass die genannten Dauerkulturen einen Beitrag zum Bodenschutz beim Energiepflanzenanbau leisten können.

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13 The role of greenhouse gas emissions in short rotation coppices (SRC)

J. Kern¹, S. Germer¹

1Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie, Bioverfahrenstechnik, Potsdam

Ort: HS 110

Abstract:

The emissions of the greenhouse gases nitrous oxide (N2O) and carbon dioxide (CO2) were determined in closed gas chambers over 13 years in two experimental poplar fields on loamy sandy soils in Potsdam, Northeast Germany. In a first period (1999-2007) the effects of nitrogen fertilisation (< 150 kg N ha^-1 yr^-1) were studied on both, on the production of perennial (poplar) and annual crops (rye) and on the emission of greenhouse gases. Besides the direct N2O emissions from the soil, the indirect emissions related to NO3 leaching and fertiliser production had been considered.

The CO2 balance revealed that the non-fertilised poplar plots had the highest CO2 mitigation potential of fossil fuels by 17.7 t CO2 ha^-1 yr^-1. In a second period (2008-2012) a new SRC with poplar was established in a randomised fertilisation experiment. The main objective of this study was to assess if negative environmental effects as nitrogen leaching and greenhouse gas emissions are enhanced by mineral nitrogen fertiliser applied to poplar at rates of 0, 50 and 75 kg N ha^-

1 yr^-1 and how these effects are influenced by tree age with increasing number of rotation periods and to cycles of organic matter decomposition and tree growth after each harvesting event. During the first four years of the poplar SRC, compared to NO3- leaching, the loss of nitrogen by N2O emissions from the soil was very low. On average its loss was 0.61 kg N2O-N ha^-1yr^-1 (0.18 t CO2equ) and it was not affected by nitrogen fertilisation over the whole study period. Real CO2 emissions from the poplar soil were two orders of magnitude higher ranging between 15.1 and 19.1 t CO2 ha^-1yr^-1 and with highest annual emission in the years of harvest. The key-factors for N2O emissions were the time after planting and harvest and the rotation period. It can be concluded that the biomass production in poplar SRC is characterised by low emission rates of greenhouse gases particularly if the rotation periods are long.

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14 N and S speciation during high discharge events in a forested headwater

catchment

D. Burger¹, J. Vogel², A. Kooijman³, R. Bol², N. Gottselig¹

1University of Bonn, INRES - Soil Science, Bonn; ²Forschungszentrum Jülich, IBG3, Jülich; ³University of Amsterdam, Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics, Amsterdam

Session: AG Waldböden S1.1 – Anpassung von Waldböden an den Klimawandel, Naturereignisse und Bewirtschaftung: Stoff- und Wasserhaushalt

Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00 Ort: HS 114

Abstract:

Nutrient transfers in forested ecosystems are strongly influenced by the occasional high intensity rainfall and snowmelt events, which can cause surface runoff and greatly enhance peak stream water discharge. These infrequent, short term processes have been shown to be a major quantitative loss term of total annual nutrient budgets in ecosystems and hence should be investigated critically and in detail. In this context, information on key macronutrients such as nitrogen (N) and sulfur (S), and especially their readily available forms, i.e. nitrate (NO3) and sulfate (SO4) is most valuable, because of their high mobility and subsequent ease on which these nutrients maybe lost from the catchment. In this study, the transfer dynamics of N and S species during two peak discharge events in the Wüstebach stream, National Park Eifel (Germany) were examined, consisting of a combined snowmelt/precipitation (March 2018) and a spring precipitation event (May, 2018). High resolution sampling was conducted to cover both the rising and falling limb of the hydrographs, for which the stream water concentrations of nitrate, sulfate, ammonium, total N/S, and organic N/S were measured using various analytical methods. During both events, nitrate and sulfate showed a dilution effect on the rising limb of the hydrograph, whereas ammonium and organic N and S did show an increase during peak discharge. These findings pointed a partitioning of the hydrograph depending on the source region of the N and S species. Overall, the snowmelt/storm event had a 2.1-fold larger effect on the maximum load of nitrate and sulfat, because of its 12.4-fold longer duration and 1.7-fold higher in stream concentrations of NO3 and SO4 than the spring event, although the maximum discharge was similar. In contrast, organic N and ammonium (NH4) concentrations were generally low, but due to the longer duration of the event and higher discharge, the total loss of organic N and NH4 was larger for the snowmelt/storm event. Organic S concentrations were found to be negligible for the snowmelt event, but significant for the spring storm event. Our study confirms previous findings stating that, especially the late winter/early spring

combination of snowmelt with rainfall must be considered in annual nutrient catchment budgets, as these infrequent and short-term events export large amounts of especially inorganic nutrients from catchments.

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15 Schwefel und Phosphor – zwei zunehmend wichtiger werdende Nährelemente in einer sticktoffdominierten Umwelt

A. Göttlein¹, K. H. Mellert¹

1TU München, Fachgebiet Waldernährung, Freising

Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00 Ort: HS 114

Abstract:

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich des „chemische Klima“ in Deutschland gravierend verändert. Im Jahr 2015 betrugen die SO2-Emissionen der BRD nur noch ca. 4% der Werte von Mitte der 1970er Jahre. In der gleichen

Zeitspanne (1975-2015) nahm die NOx-Emission um 63%, die NH3-Emission jedoch nur um 3% ab, so daß im Jahr 2015 einer SO2-Emission von 5,5 Gigamol pro Jahr eine Stickstoffemission von 70.4 Gigamol pro Jahr gegenübersteht. Es hat sich von 1975 bis 2015 in Deutschland daher nicht nur die Menge der Emissionen deutlich verändert, sondern es ist auch das molare S/N-Verhältnis von 1,02 auf 0,08 gesunken. Zusätzlich hat sich bei den N-Emissionen deren Qualität deutlich geändert, von einer Dominanz von oxidiertem Stickstoff hin zu einer Dominanz des reduzierten Stickstoffs ab Beginn des 21. Jahrhunderts. Das veränderte Emissionsregime führte zu einer Reduktion des Sper100N-Verhältnisses in den Assimilationsorganen der Bäume. In den ostdeutschen Bundesländern war dies auffallend deutlich ausgeprägt, da hier Fichte und Kiefer von einer S-Überversorgung zum Zeitpunkt der BZE1 (1987) bei der BZE2 (2007) in den Bereich normaler Sper100N-Verhältnisse einzuordnen waren und zum Teil sogar in den unteren Bereich harmonischer Ernährung abgesackt sind. Es wurde bei der BZE2 teilweise sogar Schwefelmangel in ehemaligen Hochbelastungsgebieten diagnostiziert, was bedeutet, daß der im Boden zwischengespeicherte Schwefel mittlerweile für die Baumernährung kaum mehr eine Bedeutung hat. Durch das N-Überangebot wird auch Phosphor zunehmend zum

wachstumslimitierenden Nährelement. Schwefel und Phosphor sind daher Nährelemente, welchen wir in Zukunft deutlich mehr Beachtung schenken sollten, sowohl im Hinblick auf den Ernährungszustand unserer Wälder, als auch im Hinblick auf die entsprechenden Ernteentzüge mit ihren Auswirkungen auf den Stoffhaushalt von Waldökosystemen.

(16)

16 Stoffbilanzen als Indikator für nährstoffnachhaltige Holznutzung – Ergebnisse aus dem EnNa-Projekt

H. Puhlmann¹, B. Ahrends², W. Weis³, C. Vonderach⁴, K. von Wilpert¹, D. Köhler³

1Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg, Abteilung Boden und Umwelt, Freiburg i.Br.;

2Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt, Abteilung Umweltkontrolle, Göttingen; ³Bayerische Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Abteilung 2 Boden und Klima, Freising; ⁴Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden- Württemberg, Abteilung Biometrie und Informatik, Freiburg i.Br.

Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00 Ort: HS 114

Abstract:

Die Holznutzung spielt, nicht zuletzt durch die Klimaziele der EU und der Bundesregierung, eine zunehmend wichtige Rolle für die mögliche Reduzierung der CO2-Emissionen. Eine Intensivierung der Holznutzung über die konventionelle Stamm- und Industrieholzernte hinaus greift jedoch stark in den Nährstoffhaushalt der Waldböden ein, da Nährstoffe überdurchschnittlich im Kronenmaterial enthalten sind. Vor diesem Hintergrund untersuchte das Projekt

„Energieholzernte und stoffliche Nachhaltigkeit in Deutschland“ (EnNa) die möglichen Auswirkungen einer gesteigerten Energieholznutzung auf den Nährstoffhaushalt. Der Vortrag stellt das Forschungsprojekt vor, skizziert das

Forschungskonzept und diskutiert die wesentlichen Projektergebnisse. Ziel von EnNa war es, bundeseinheitliche Kriterien zur Nachhaltigkeitssteuerung bei der Holzbiomasseernte zu entwickeln und daraus konkrete Konzepte zur Nutzungsbegrenzung auf sensitiven Standorten und zur Kompensation von Nährelementexporten durch

Nährelementrückführung abzuleiten. Basis hierfür waren Stoffbilanzen für die Nährelemente Calcium, Magnesium und Kalium, welche den Nährstoffeintrag (Deposition, Verwitterung), den Nährstoffaustrag (Sickerwasserverluste,

Holznutzung) und den pflanzenverfügbaren Bodenvorrat gegenüberstellen. Die Nährstoffbilanzen wurden an den bundesweiten Erhebungspunkten der Bundeswaldinventur (BWI, 4x4 km-Netz) für den Zeitraum 2000-2010 berechnet.

Basierend auf diesen Nährstoffbilanzen und deren treibenden Einflussfaktoren wurden regionale Handlungsoptionen für die Holz- und Biomassenutzung abgeleitet. Auf Standorten mit positiven Nährstoffbilanzen (Vorratsaufbau) ist eine Intensivierung der Nutzung unter Abwägung weiterer Kriterien (standörtliche Regeneration, Baumartenwechsel) denkbar. Auf Standorten mit negativen Bilanzen (Nährstoffverlust) sind Maßnahmen notwendig, um einen langfristigen Abbau der Nährstoffvorräte zu verhindern. Der Vortrag diskutiert das Potential von Nutzungsreduktionen und

Nährstoffrückführungen, um defizitäre Nährstoffbilanzen zu schließen. Die Projektergebnisse zeigen, dass

Nährstoffbilanzen ein guter Indikator sind, um die Folgen forstlichen Handelns zu prognostizieren und eine wertvolle Ergänzung zu Indikatoren darstellen, die den aktuellen Waldzustand (Bodenvorräte, Blatt-/Nadelspiegelwerte) erfassen.

Für ein Nährstoffmanagement auf Betriebsebene muss der in EnNa entwickelte methodische Rahmen in ein praxisnahes Entscheidungsunterstützungssystem überführt werden.

(17)

17 Beurteilung der Standortssituation der Waldbrandfläche Treuenbrietzen als

Grundlage für die Ableitung von Wiederaufforstungsempfehlungen

J. Hannemann¹, M. Grüll², F. Stähr¹

1LFB, Landeskompetenzzentrum Forst Eberswalde, Eberswalde; ²LFB, FB 41, Eberswalde

Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00 Ort: HS 114

Abstract:

Im August 2018 sind zwischen den Kleinstädten Treuenbrietzen und Jüterbog im Niederen Fläming des Landes Brandenburgs etwa 350 ha Kiefernwald verbrannt. Die Intensität des Vollfeuers war so groß, dass der überwiegende Teil des Bestandes als nicht regenerationsfähig eingestuft und aus Waldschutzsicht die flächige Räumung der Bestockung empfohlen wurde. Damit sind Maßnahmen erforderlich geworden, die einerseits ein schnelles Handeln hinsichtlich des Bodenschutzes und andererseits ein strategisches Wiederaufforstungskonzept im Hinblick auf die veränderten Standortsbedingungen verlangen. Eine schonende Bodenbehandlung während und nach der

Flächenräumung und der Erosionsschutz nach Verlust der Humusauflage spielen dabei eine ebenso wichtige Rolle wie Baumarteneignungsempfehlungen auf Basis standörtlicher Flächeninformationen. Sowohl durch Veränderungen in der Bodenstruktur auf den ohnehin trockenen und nährstoffarmen Sand-Standorten als auch durch die Unterbrechung bzw.

Einschränkung wichtiger den Wasser- und Nährstoffhaushalt betreffenden Bodenprozesse und -funktionen wurden die ökosystemspezifischen Stoffkreisläufe gestört (verbrannte Auflage, Reduktion der organischen Bodensubstanz, Verringerung der Kationenaustausch- und Wasserspeicherkapazität etc.). Durch die Verbrennungsasche ist in gewissem Maße ein kurzfristig erhöhtes, aber verlustbedrohtes Nährstoffangebot vorhanden. Im Vortrag wird auf die Ableitung der Anbaueignung von Baumarten sowie technischer Empfehlungen unter Nutzung eines empirischen Bewertungsansatzes eingegangen. Dabei wird vorrangig auf digitale Standorts- und Reliefdaten zurückgegriffen.

(18)

18 Short-term effects of drying-rewetting on the competition between beech saplings and soil microorganisms for phosphorus in acid forest soils

M. Vogt¹, J. Luster¹, E. Frossard²

1Eidg. Forschungsanstalt WSL, Birmensdorf; ²ETH Zürich, Lindau

Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00 Ort: HS 114

Abstract:

Future climate models predict that heat waves and related dry spells will become more intense and that heavy rainfalls will become more frequent. As a consequence, more extreme fluctuations in soil moisture will lead to more pronounced soil drying and rewetting cycles. Drying and rewetting influences the availability of soil phosphorus (P), which is an essential but often limited nutrient for plant and microbial growth. We studied the effects of drying-rewetting on the competition for P between trees and free-living microorganisms. As a central experimental approach, we performed controlled drying-rewetting experiments on undisturbed soil cores with naturally grown beech saplings. Soil cores were collected in beech forests located in Germany with contrasting soil P stocks. Water regimes were manipulated in fully randomized greenhouse experiments. Parallel to a control kept at field capacity, soil cores were dried to a defined water potential and then rewetted at different rates to simulate heavy rainfall and continuous rain of low intensity. In order to study how drying-rewetting affects the competition between trees and microbes, a P-33 labelling pulse was traced into plant tissue, microbial biomass and exchangeable soil P. Plant material is currently being analyzed compartment-wise (leaves, stem, roots) and soil is analyzed in different layers. For the analysis of exchangeable and microbial soil P a new method based on direct contact between anion exchange membrane and soil was developed. This contact method was applicable under different soil moisture conditions with minimum experimental bias. In this presentation, we will show for the two plant-soil systems how the competition between plants and microbes for P shifts under dry conditions and rewetting with different intensities. The uptake rate (r/R) of P-33 into the plant tissue will be compared with the uptake rate into the microbial biomass. We assume that the soil water regime influences the ability of plants and microbes to access and use soil P by differently affecting microbial and root activity. We expect beech trees to compete with microbes for P most effectively after fast rewetting, whereas microbes may compete with beech most effectively after slow rewetting. Microbes may also be more competitive in soil of low P availability, as here P nutrition strongly depends on organic P mineralization.

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19 Mehr Trockenstress im Klimawandel in bayerischen Waldböden

L. Zimmermann¹, S. Raspe¹

1Bay.Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Boden und Klima, Freising

Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00 Ort: HS 114

Abstract:

In manchen Jahren wird der Klimawandel sichtbar, weil das Außergewöhnliche der Witterung augenfällig ist. Die ungewöhnlich langanhaltende Niederschlagsarmut und Hitze führte 2018 in weiten Teilen Nord- und Mitteleuropas, und so auch in Bayern, zu einer extremen Dürre. Der Sommer 2018 war der dritte Jahrhundertsommer in 16 Jahren. Seit Anfang der 1990er Jahre wird in Bayern das intensive forstliche Umweltmonitoring an 19 „Waldklimastationen“ u.a. mit meteorologischen Messungen, aber auch mit der Erhebung bodenphysikalischer Kenngrößen und von

Bestandesparametern durchgeführt. An 7 Schwerpunktstationen wird seit 2000 zusätzlich der Bodenwassergehalt in unterschiedlichen Waldbeständen mittels TDR-Messung gemessen. Mit diesen wurde das Wasserhaushaltsmodell LWF-Brook90 (Hammel & Kennel 2001) kalibriert und auch auf hinsichtlich Bodenfeuchte unbeobachtete Stationen übertragen. Die Bodenwasservorräte waren 2018 vielerorts, außer im Süden, ab Juli oder August bis teilweise weit in den Herbst hinein vollständig ausgeschöpft. Vielfach kam es zu sichtbaren Stressreaktionen an den Bäumen (nekrotische Verfärbungen, Einrollen der Blätter oder frühzeitiger Laubfall). Auch das Wachstum der Bäume war reduziert. Durch die retrospektive Verlängerung der an den Waldklimastationen gemessenen Klimazeitreihen mit Regressionen zu benachbarten Klimastationen sind Änderungen im Langzeitverhalten wie der ansteigende Trend der Lufttemperatur und auch saisonale Änderungen beim Niederschlag auf die Waldstandorte übertragbar. Die Ergebnisse für den Zeitraum von 1961 bis heute zeigen eine signifikante Zunahme sowohl der potentiellen als auch der aktuellen der Transpiration und damit auch des Trockenstresses für die Bäume. Nordbayern ist davon stärker betroffen als Südbayern. Mit Daten der Bodenzustandserhebung BZE II, regionalisierten täglichen Witterungsdaten sowie Daten der Bundeswaldinventur 3 können auch Waldstandorte mit extremen Trockenstress betrachtet werden (Weis et al. 2015).

Die regionalen Auswirkungen des globalen Klimawandels werden damit an den Veränderungen im Wasserhaushalt in den bayerischen Waldböden sichtbar.

Hammel, K. und Kennel, M. (2001): Charakterisierung und Analyse der Wasserverfügbarkeit und des Wasserhaushalts von Waldstandorten in Bayern mit dem Simulationsmodell BROOK90. Forstliche Forschungsberichte München, 185.

Weis, W., Raspe, S. und Falk, W. (2015): Modellierung des Wasserhaushalts der BZE II-Punke mit LWF-Brook90.

Forstl. Forschungsberichte 213, S. 85-88.

(20)

20 Effiziente Bodenkartierung durch Kombination neuer Methoden

S. Oechslin¹, M. Nussbaum¹, D. Tatti¹, S. Burgos¹

1BFH, HAFL, Zollikofen

Session: K V S2.3 – Bodenklassifikation und Bodeninformation: 2b Digitale Bodeninformation 1 Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00

Ort: HS 120

Abstract:

Bodeninformation ist eine Voraussetzung für eine nachhaltige Nutzung der Ressource Boden. In der Schweiz liegt nach wie vor keine flächendeckende Bodenkarte in genügend grossem Massstab vor. In der gegenwärtigen Praxis für Bodenkartierungen wird der Standard FAL24+ verwendet. Die Anleitung ist an die Deutsche Bodenkundliche

Kartieranleitung angelehnt. Bisherige Bodenkartierungen sind in der Regel sehr langandauernde Projekte und werden als kostenintensiv wahrgenommen. In einem Versuchsgebiet im St. Galler Rheintal sollen 2000 ha organische Böden kartiert werden. Um dies effizient zu gestalten, werden im Projekt neue Methoden und Anwendungen getestet und kombiniert. Statt wie bis anhin üblich werden nicht mehr nur die Bodenprofile und die aggregierten Kartiereinheiten (Polygone) in einer Datenbank erfasst, sondern es wird jede Bohrung mit einer Horizontbeschreibung erfasst. Dies ermöglicht, dass später die volle Datenbasis georeferenziert vorhanden ist und neue Ableitung von nutzerorientierten Karten erstellt werden können. Für die Aufnahmen wird ein Feldtablet verwendet, in einer eigens dafür entwickelten grafischen Benutzerschnittstelle können die Daten direkt im Feld in die Datenbank eingegeben werden. Rohdaten bleiben erhalten und Ableitungen wie die pflanzennutzbare Gründigkeit werden einheitlich und automatisiert erstellt. Da die Böden im St. Galler Rheintal stark anthropogen geprägt sind, ist eine Eingrenzung von stark gestörten Böden zentral. Dazu werden Strukturen wie Wege oder Kanäle aus alten Karten extrahiert und mit dem heutigen Höhenmodell verglichen. Die Beprobung wird mittels eines neu entwickelten Bohrfahrzeuges durchgeführt. Dieses ermöglicht eine Probenahme mittels eines Bohrstockes bis 2 Meter Tiefe. Auf dem Bohrfahrzeug wird der Bohrstock mit einer Kamera im sichtbaren und nahinfraroten Bereich auf der ganzen Länge abfotografiert und mittels eines automatisierten Prozesses analysiert. Dies ermöglicht die Bestimmung verschiedener Parameter bereits auf dem Bohrfahrzeug. Statt dem bestehenden starren Ablauf der Polygonabgrenzung wird ein iterativer Prozess aus Bohrungen, Profilen und Modellierung verwendet. Im stark auf Umsetzungsfragen ausgerichtete Projekt kann gezeigt werden, dass durch die Integration der neusten Methoden aus der Forschung die notwendigen Bodenkarten in kürzerer Zeit und möglicherweise auch kostengünstiger erstellt werden können und gleichzeitig die gesamte Datenbasis erhalten werden kann.

(21)

21 FAIR soil data: Modernes Datenmanagement für die Bodenforschung

C. Hoffmann¹, N. Svoboda¹, M. Grosse², W. Hierold², X. Specka¹, T. Kühnert¹, M. Zoarder¹, U. Heinrich¹

1Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Forschungsplattform "Daten", Müncheberg; ²Leibniz- Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Programmbereich 3 „Synthese der Landschaftsforschung“, Müncheberg

Ort: HS 120

Abstract:

Die „FAIR data principles“ empfehlen Vorgehensweisen, wie Forschungsdaten aufbereitet werden sollten, um diese für andere Wissenschaftler leicht auffindbar und zugänglich, über System- und Fachdisziplingrenzen hinweg bedienbar und auf lange Sicht nachnutzbar zu machen (=„Findable, Accessible, Interoperable, Re-usable“). Dieses in der

Forschungsdatenlandschaft bereits weitläufig etablierte Verfahren gewinnt auch in der Bodenforschung zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojektes BonaRes („Boden als nachhaltige Ressource für die

Bioökonomie”) hat das BonaRes Datenzentrum eine IT-Infrastruktur zur Aufnahme, Verwaltung und Bereitstellung digitaler Forschungsdaten aus den Boden- und Agrarwissenschaften in Deutschland aufgebaut. Das BonaRes Datenzentrum unterstützt Wissenschaftler beim Datenmanagement von der Datenerhebung über deren Verarbeitung, Qualitätsprüfung und Archivierung, bis hin zur Bereitstellung in einem Geoportal für die wissenschaftliche Nachnutzung (z.B. Modellierung). Die Verwendung allgemein anerkannter Standards und Richtlinien und deren Dokumentation in den Metadaten sind Voraussetzung, um die FAIR Prinzipien zu erfüllen und somit die Sichtbarkeit der Daten und damit der eigenen Forschungsergebnisse zu erhöhen. In diesem Beitrag zeigen und diskutieren wir den Workflow eines

imaginären Bodendatensatzes von der Datenerhebung über das Datenmanagement bis hin zur Vergabe eines DOI, der Bereitstellung für die internationale Bodenforschung und einer möglichen Nachnutzung.

(22)

22 Step by step: Transformation von Brandenburgs Bodenkarten in das INSPIRE- Schemata SOIL

A. Markert¹, D. Kühn¹, C. Franke²

1LBGR, Bodengeologie, Cottbus; ²LGB, Sachgebiet 43.2 Infrastrukturknoten, Potsdam

Ort: HS 120

Abstract:

Problemstellung: Einheitliche Geodaten in Europa - die Zeit drängt. Ab Oktober 2020 sollen die von der INSPIRE- Richtlinie erfassten Geodaten als interoperable Geodatensätze im INSPIRE-Datenmodell vorliegen. Dies umfasst auch viele der beim SGD Brandenburg vorliegenden Bodenkarten. Um den Anforderungen der Datenspezifikation von ISNPIRE gerecht zu werden, müssen die originären Daten sowohl fachlich übersetzt, als auch technisch transformiert werden. Dafür skizziert die INSPIRE-Datenspezifikation SOIL eine umfangreiche Struktur, um die verschiedensten Bodendaten zu übersetzen. Methodik: Anhand der bereits durchgeführten Schematransformation der Ableitungskarte

„Bodenart Oberboden“ (1:300.000) für Brandenburg werden die einzelnen fachlichen und technischen

Bearbeitungsschritte präsentiert: 1. Fachliche Übersetzung/Mapping in die Datenspezifikation SOIL4.0 2. Technische Transformation mit HALE 3. Bereitstellung als WFS und Nutzung in QGIS Ergebnisse und Schlussfolgerung: Auf der Grundlage der aktuellen Datenspezifikation SOIL4.0 lässt sich für die Ableitungskarte „Bodenart Oberboden“ zwar ein interoperabler, den technischen Anforderungen entsprechender Geodatensatz als WFS erzeugen. Jedoch sind die fachlichen und technischen Ausführungen der Datenspezifikation noch unzureichend, um die komplexen Originärdaten umzusetzen. Informationsverluste und eine länderspezifische, uneinheitliche Umsetzung lassen sich nicht vermeiden.

Ebenso gibt es noch keine zufriedenstellenden GIS-Anwendungen, welche die erzeugten komplexen INSPIRE- Geodatensätze anwenderfreundlich nutzbar machen. Der Vortrag soll daher zur fachlichen Diskussion anregen und mögliche Lösungsansätze für die INSPIRE-Umsetzung aufzeigen.

INSPIRE (2013) - D2.8.III.3 INSPIRE Data Specification on Soil Draft Technical Guidelines. INSPIRE Thematic Working Group Soil. 2013.

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23 Regelbasierte Ableitung von Boden-Konzeptkarten als Basis für die Planung und Durchführung bodenkundlicher Kartierungen im nordostdeutschen Tiefland (Brandenburg) am Beispiel des Blattes Oderberg

H. Fell¹, A. Bauriegel², N. Roßkopf²

1Fell & Kernbach GmbH, Berlin; ²Landesamt für Bergbau, Geologie u. Rohstoffe, Dez. Bodengeologie, Cottbus

Ort: HS 120

Abstract:

Problemstellung: Boden-Konzeptkarten liefern sowohl die fachlichen Grundlagen für die Planung und Umsetzung bodenkundlicher Kartierungen im Gelände als auch für die nachfolgende Synthese der Ergebnisse. Die Güte der zugrundeliegenden Konzeptkarte hat somit einen direkten Einfluss auf die Qualität der späteren bodenkundlichen Karte.

Aufwand und Kosten, die bei der Erstellung und Qualitätssicherung derselben entstehen, hängen ebenso maßgeblich von der Qualität der Konzeptkarte ab. Methodik: Basierend auf einer sowohl strukturell als auch fachlich

homogenisierten Datengrundlage verschiedener Punkt- und Flächendaten unterschiedlicher Maßstäbe und Detaillierungsgrade wurde eine regelbasierte, weitgehend automatisierte Ableitung einer Bodenkonzeptkarte softwaretechnisch implementiert. Ergebnisse und Schlussfolgerung: Erste Ergebnisse liegen für ein Gebiet im norddeutschen Tiefland bei Oderberg in Brandenburg vor. Sie zeigen, dass entsprechende Ansätze einen sinnvollen Beitrag für die bodenkundliche Landeserhebung leisten können.

(24)

24 Das BonaRes Datenzentrum: Nachnutzbarkeit von Forschungsdaten

N. Svoboda

ZALF, FPD, Müncheberg

Ort: HS 120

Abstract:

In Deutschland werden im Bereich der Agrar- und Bodenforschung viele exzellente Daten erzeugt und digital

gespeichert. Leider können diese häufig nicht von anderen Wissenschaftlern nachgenutzt werden und damit ihr volles Potenzial ausschöpfen. Es leidet die Reproduzierbarkeit von Forschungsergebnissen und damit die gute fachliche Praxis. Gegen das Veröffentlichen von Forschungsdaten sprechen persönliche Vorbehalte, Sorgen über das Erstverwertungsrecht und sonstige unklare Rechte oder mangelnde technische Möglichkeiten und Fähigkeiten von Autoren und deren Einrichtungen. Viele einflussreiche Institutionen haben daher die freie Nachnutzung von Forschungsdaten auf ihre Agenda gesetzt: Berliner Erklärung (2003), OECD (2007), Deutsche Forschungsallianz (2010). Die wichtigen Einrichtungen zur Forschungsfinanzierung wie DFG, BMBF und EU fordern, dass bei aktuellen Anträgen ein Konzept vorgelegt werden muss, in dem dargestellt wird, dass Forschungsdaten, die mit öffentlichen Geldern finanziert wurden, kurzfristig zur freien Nachnutzung bereitgestellt werden. Im BonaRes Datenzentrum werden Forschungsdaten gesammelt und in standardisierter Form für die freie Nachnutzung über eine vernetzte

Dateninfrastruktur bereitgestellt. Besonderes Interesse liegt auf den Ergebnissen von Feldversuchen, die eine unschätzbare Basis für die Modellierung und Abschätzung von langfristigen Veränderungen im Boden darstellen. Das Erstverwertungsrecht der Autoren wird im BonaRes Datenzentrum durch eine mögliche Embargozeit sichergestellt.

Bevor die Daten veröffentlicht werden, wird der rechtliche Rahmen durch ein Portfolio an unterschiedlichen, international verbindlichen Lizenzen (Creative Commons CC) abgesteckt und durch einen „Disclaimer“ ergänzt. In der Regel werden Forschungsdaten zur Veröffentlichung mit dem BonaRes DOI versehen (doi.org/10.20387/BonaRes-XXXX-XXXX). Die Forschungsdaten sind damit zitierfähig. Die Speicherung der Daten in einem qualifizierten Repositorium mit

anschließender Veröffentlichung ist Voraussetzung für eine Datenpublikation in einem Datenjournal. Ebenso wird die Veröffentlichung von Forschungsdaten ein immer wichtigeres Mittel, die Reputation von Wissenschaftlern weiter zu steigern.

(25)

25 Die pH-Werte landwirtschaftlich genutzter Böden in Deutschland - Erkenntnisse aus der Bodenzustandserhebung Landwirtschaft

T. Müller¹, R. Dechow², A. Jacobs², A. Heidkamp²

1Thünen-Institut für Agrarklimaschutz, Agrarklimaschutz, Braunschweig; ²Thünen-Institut für Agrarklimaschutz, Braunschweig

Session: K II S6 – Freie Themen Datum: 08.26.2019, 8:00-10:00 Ort: HS 201

Abstract:

Der pH-Wert ist eine der wichtigsten Bodenzustandsgrößen, da er unter anderem die Nährstoffverfügbarkeit, das Bodenleben und das Auftreten von toxisch wirkenden Aluminiumionen und Schwermetalle beeinflusst. Darüber hinaus wurde aufgezeigt, dass eine pH-Erhöhung eine mögliche Maßnahme zur Minderung von landnutztungsbedingter Lachgasemissionen (N2O) ist, da die Dentrifikation des Treibhausgases N2O zu atmosphärischem Stickstoff durch niedrige pH-Werte gehemmt wird (1). Für den Erhalt der Bodenfruchtbarkeit sollte der pH-Wert in einem optimalen Bereich liegen, der in Deutschland durch den Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten (2) definiert ist. Im Rahmen der Bodenzustandserhebung Landwirtschaft (BZE-LW) wurden im Zeitraum 2011 bis 2018 pH-Werte landwirtschaftlicher Böden, begleitende Bodenparameter und das landwirtschaftliche Management innerhalb der letzten zehn Jahre für 3104 Standorte erhoben. Die Auswertung dieser Daten zeigte, dass bei 43 % der Acker- bzw. 52 % der Dauergrünlandstandorte der pH-Wert im Oberboden unterhalb des empfohlenen Bereiches lag. Die Hälfte dieser Beprobungspunkte wurde in den letzten 10 Jahren nicht gekalkt. Neben den Auswirkungen des Managements, kontrollieren Parameter wie Niederschlag und Bodenausgangsmaterial den Boden- pH. Böden mit niedrigen pH-Werten kommen auf sandigen Böden in Norddeutschland vor, wohingegen hohe pH-Werte auf Lössen und karbonathaltigen Böden dominieren. Machine Learning Algorithmen (Random Forest) wurden

verwendet, um die Sensitivität des Boden-pH gegenüber verfügbaren Parametern aufzuzeigen und die pH-Werte landwirtschaftlich genutzter Böden Deutschlands auf Basis der BZE-LW zu regionalisieren. Weitergehende Analysen im Rahmen des MAGGE-pH Projektes sollen aufzeigen, welches Potential zur Minderung von N2O-Emission aus Böden durch eine flächendeckende pH-Regulierung erzielt werden könnte.

(1) RUSSENES A, KORSAETH A, BAKKEN L (2016): Spatial variation in soil pH controls off-season N2O emission in an agricultural soil, Soil Biology and Biochemistry,Volume 99,Pages 36-46.

(2) KERSCHBERGER M, DELLER B, HEGE U, et al. (2000): Standpunkt Bestimmung des Kalkbedarfs von Acker- und Grünlandböden. VDLUFA (Hrsg.)