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«FKZ: 06OE256 Projektnehmer: Technische Universität München Lehrstuhl für Ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme Alte Akademie 12, 85350 ...»

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Anpassung bestehender Methoden zur Abschätzung der Bodenerosion an den Ökolandbau 5 Die Revised Universal Soil Loss Equation Die Universal Soil Loss Equation, die als Ausgangsmodell der ABAG angesehen werden kann, wurde im Laufe der Zeit konsequent weiterentwickelt. Die Modellphilosophie und Ziele des Modells wurden dabei jedoch nur geringfügig angepasst. Neben der Aufnahme und Analyse von Bodenabträgen, die Erosionsschutzplanung und die Verwendung in der (landwirtschaftlichen) Beratung ist als Ergänzung insbesondere die Abschätzung von Sedimentfrachten integriert wurden. Bei der Weiterentwicklung hat das USLandwirtschaftsministerium (United States Department of Agriculture; USDA) und die Abteilung zur Erhaltung natürlicher Ressourcen (Natural Resources Conservation Service; NRCS) eine zentrale Rolle eingenommen.

Auf der Basis der USLE, die als ein zu „starres System‚ erkannt wurde, wurden verschiedene Überarbeitungen durchgeführt und im Modell der Revised Universal Soil Loss Equation umgesetzt (Renard et al. 1991, Renard et al. 1997, Foster et al. 2003). Der erste Entwicklungsschritt, die RUSLE1, bestand in der konsequenten Umsetzung des „Subfaktorenkonzeptes‚, durch das insbesondere die Berechnung der C-Faktoren modifiziert wurde. Obwohl die grundsätzlich (empirische) Struktur der USLE unverändert blieb, wurden in einigen Bereich prozessbasierte Beziehungen integriert, durch die z.B. die Effekte konservierender Bodenbearbeitungspraktiken besser abgebildet werden können. Nach weiteren Modifikationen wurde die RUSLE2 etabliert, die sich vor allem durch den neuen Zeitbezug - in der RUSLE2 erfolgt die Berechnung der einzelnen Faktoren auf der Tagesebene - von der RUSLE1 unterscheidet. Darüber hinaus wurden kleiner Anpassungen wie Veränderungen der Subfaktoren, Aufnahme neuer Subfaktoren (z.B. zur Oberflächenrauigkeit in Abhängigkeit von der Bodenbearbeitung) oder die Integration einer Depositionsgleichung zur Berechnung von Sedimentgehalt, Transportkapazität und Deposition vorgenommen. Ausgehend von diesen Anpassungen ist die RULSE2 mittlerweile als „state of the art‚ der Erosionsmodelle anzusehen (zumindest der USLE-Familie) und wird nahezu flächig in den USA eingesetzt.

Die umfangreichste Anwendung des Modells wurde bisher vom NRCS durchgeführt: Durch die Berücksichtigung einer großen Vielfalt unterschiedlicher Fruchtarten, Anbausysteme sowie verschiedener Ertragsleistungen wurden über 100000 Szenarien von ca. 50 Experten über einen Zeitraum von 4 Jahren berechnet. Eines der wichtigsten Ergebnisse bestand darin, dass die mit der RUSLE2 ermittelten Bodenabträge trotz geringerer C-Faktoren vergleichbar zu den Ergebnissen der USLE waren. Die Ergebnisse verdeutlichen demnach, dass die RUSLE2 bezüglich der Abbildung der verschiedenen Bewirtschaftungspraktiken verbessert wurde und eine wesentlich höhere Sensitivität des C-Faktors aufweist (Renard & Ferreira 1993, Ferreira et al. 1995).

In Folge der Erweiterung des Anwendungsbezugs und die Ergänzung um weitere Landnutzungsformen (neben der Landwirtschaft) kann die RUSLE neben der Ackerbau- und Grünlandnutzung auch Bodenabträge in Wäldern, in Parks, auf Truppenübungsplätzen, Baustellen usw. berechnen. So wurde beispielsweise durch das US-Innenministerium (United States Department of the Interior - Office of Surface Mining Reclamation and Enforcement) ein Projekt gefördert, durch das die Grundlagen für die Erosionsabschätzung in Abbaugebieten erarbeitet wurden und somit Bodenabträge und Sedimentfrachten aus entsprechenden Gebiet abgeschätzt werden können (Toy et al. 1999). Mittlerweile kommt die RUSLE aber auch international zum Einsatz27. Ein Beispiel hierfür ist die Anwendung in Taiwan, wo der ErosiIn diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die „Anwendung der RUSLE‚ zum Teil sehr unterschiedlich erfolgt und definiert ist. Häufig wird bereits die Verwendung von modifizierten Gleichungen der RUSLE, zum Beispiel für die Berechnung des S-Faktors, als Anwendung des Modells bezeichnet.

Anpassung bestehender Methoden zur Abschätzung der Bodenerosion an den Ökolandbau onsprozess steiler Hänge unter variierendem Management (Landnutzung) mit dem Modell untersucht wurde (Fan 1995, Wu 1995) Zur Validierung des Modells wird darauf verwiesen, dass aufgrund des engen Bezugs zur USLE und keine Veränderungen der Vorhersagegenauigkeit erwartet werden. Aus diesem Grund wurden bisher nur wenige Untersuchungen zur Validität des Modells durchgeführt (Yoder et al. 2004). Mit Bezug zur USLE wird allerdings darauf verwiesen, dass Analyseergebnisse ein gutes Bestimmtheitsmaß (R2= 0,75) gezeigt haben (Risse et al. 1993). Dieser Wert wird als sehr akzeptabel angesehen, da die Variabilität der jährlichen Bodenabträge bei wiederholten Messungen ebenfalls eine Schwankungsbreite um ±35% aufweisen28. Für die RUSLE wird daher angenommen, dass die Übereinstimmung zwischen Mess- und Modellergebnissen in einem ähnlichen Bereich liegt (ebd.).

Aufgrund der verschiedenen Anpassungen der RUSLE ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten die spezifischen Effekte des Ökologischen Landbaus einzubinden. Auch aus diesem Grund werden ein Modellwechsel und eine Überprüfung der Anwendbarkeit der RUSLE für mitteleuropäische (deutsche) Bedingungen empfohlen.

5.1 Modifikationen gegenüber der USLE Obwohl die Modellgrundlage der RUSLE ein empirisches Erosionsmodell ist, wurden durch die verschiedenen Modifikationen einige physikalisch-deterministische Aspekte ergänzt.





Während in der ABAG bzw. USLE ausschließlich der Bodenabtrag (Ablösung und Verlagerung) betrachtet wurde, bildet die RUSLE den Erosionsprozess als Komplex aus Ablösung, Verlagerung und Deposition von Bodenpartikeln ab. Dabei werden in Abhängigkeit verschiedener Größen die Loslösung und der Transport von Bodenpartikeln in Form der Sedimentfracht des Abflusses, als auch die Transportkapazität des Abflusses und die daraus resultierende Sedimentation von Partikeln ermittelt. Die Erosionsabschätzung basiert damit

eigentlich auf der Berechnung auf Massenbilanzen: Überwiegt der Teilprozess der Loslösung und des Transportes kommt es zum Bodenabtrag. Ist die Transportkapazität des Abflusses hingegen überschritten, setzt Sedimentation ein – es kommt zur Deposition von Bodenmaterial. Für die Abbildung dieses Prozesses wurden folgende Regeln definiert:

Die Sedimentfracht steigt aufgrund des Abtrags hangabwärts an.

Die Transportkapazität des Abflusses ist eine Funktion der Distanz und Neigung am Hang, des Bewirtschaftungsmanagements und einer Größe zur Charakterisierung des Niederschlages.

Die Deposition beginnt an der Stelle, an der die Sedimentfracht größer ist als die Transportkapazität.

Diese Informationen sind daher von Bedeutung, da alle weiteren Modifikationen darauf ausgerichtet sind, die Veränderungen in diesem Prozess abzubilden und somit die Aussagen zur Bodenerosion zu verbessern.

‚This value is very acceptable, especially given that the same data showed an annual erosion variability of ±35% between replicated plots, which should have produced very similar erosion values.‛ Anpassung bestehender Methoden zur Abschätzung der Bodenerosion an den Ökolandbau Eine der bedeutendsten Anpassungen des Modells besteht in diesem Kontext in der höheren zeitlichen Auflösung: Die RUSLE2 basiert nicht mehr auf der Fruchtfolgen- bzw. Kulturperiodenebene, sondern berechnet die Bodenabträge auf Tagesbasis29. Durchschnittliche Bodenabträge, z.B. in einem Jahr, werden somit als die Summe einzelner Tageswerte ermittelt. Dies bedeutet, dass neben der Erosion an sich auch alle weiteren Faktoren als zeitlich variabel im Modell abgebildet werden. Beispielsweise werden die mittleren K-Faktoren in Abhängigkeit von Niederschlag und Temperatur modifiziert und weisen dadurch eine Dynamik im Jahresverlauf auf. Dieser Aspekt ist besonders für die Anwendung im Ökolandbau von Relevanz. Die weitere Anpassung der Faktoren sowie die sich daraus ergebene Bedeutung für die modifizierenden Effekte des Ökolandbaus werden nachfolgend beschrieben.

5.2 Modifikationen der erosionsbestimmenden Faktoren In der RUSLE wurde grundsätzlich beibehalten, dass die Erosion von Klima, Bodeneigenschaften, Topographie und Landnutzung abhängig ist. Analog zur ABAG wird dies durch den R-Faktor für die Erosivität der Niederschläge, den K-Faktor für die Erodibilität und Infiltration des Bodens, L-und S-Faktor für den Einfluss der Hangneigung und Hanglänge, dem C-Faktor für die Bewirtschaftung und dem P-Faktor für spezifische Bodenschutzmaßnahmen beschrieben.

R-Faktor Der R-Faktor wird prinzipiell wie in der USLE belassen. Niederschlagsmengen und Intensitäten werden einzelereignisbasiert berücksichtigt und tagesbasierte Werte zur Erosivität ermittelt. Der R-Faktor ist die Summe aller Einzelereignisse.

Als Eingangsdaten für die Bestimmung des Faktors werden 10 Jahres EI-Werte (Energie der Niederschläge im langjährigen Mittel), die Verteilung der erosiven Niederschläge (RRA), sowie Niederschläge und Temperatur auf Monatsebene benötigt. Die beiden letzten Größen werden allerdings nicht für den R-Faktor, sondern für die Abschätzung von Umsetzungsprozessen im Boden (org. Substanz) benötigt.

K-Faktor Der K-Faktor wird ebenfalls wie bisher in Abhängigkeit von Bodentextur (Bodenart), dem Gehalt an organischer Substanz sowie der Struktur und Durchlässigkeit des Bodens ermittelt. Für die Charakterisierung des Abflusses und der Infiltration werden zusätzliche Größen wie die hydrologische Bodenart des undrainierten Bodens, die Effizienz der Oberflächendrainage (Infiltration), die Zeit zur vollständigen Bodensetzung und die Steinbedeckung verwendet. Der K-Faktor ist damit noch immer eine mehr oder weniger konstante Größe, da nur Parameter berücksichtigt werden, die nicht unmittelbare (und kurzfristig) durch die Bewirtschaftung und das Management beeinflusst werden.

Dennoch wurde auch beim K-Faktor eine zeitliche Variabilität realisiert. Dazu wurde eine Methode etabliert, wodurch ein „Basis-K-Faktor‚ durch die Niederschlagscharakteristik und die Temperatur modifiziert wird. In Folge steigender Temperatur wird dieser Basiswert reduziert - der K-Faktor nimmt ab – durch zunehmende Niederschläge erfolgt hingegen eine Erhöhung des K-Faktors. Durch diese Modifikation weist der K-Faktor einen deutlichen Jahresverlauf der Erodibilität auf (Abb. 10). Wie aus der Abbildung hervorgeht weist Kalifornien Dies bedeutet allerdings nicht, dass die RUSLE2 auf die Berechnung der Bodenabträge einzelner Niederschlagsereignisse, wie dies von verschiedenen physikalisch-deterministischen Modellen durchgeführt wird, ausgelegt ist, sondern das lediglich die „Auflösung der Berechnungsschritte‚ verfeinert wurde.

Anpassung bestehender Methoden zur Abschätzung der Bodenerosion an den Ökolandbau aufgrund der ausgeprägte Sommertrockenheit und der hohen Temperaturen im Sommerhalbjahr einen ausgeprägten Rückgang, im Winterhalbjahr einen deutlichen Anstieg des KFaktors auf. South Dakota zeichnet sich hingegen in Folge des kontinentalen Klimas mit ausgeprägten Temperaturschwankungen zwischen Sommer und Winter und der Hauptniederschlagszeit in den Sommermonaten durch einen gegenläufigen Verlauf aus.

Bezogen auf diese Modifikation ergibt sich allerdings die Frage, welche(r) Effekt(e) bzw. welche Ursache(n) für diese Wirkungen verantwortlich gemacht werden. Aus den vorliegenden Veröffentlichungen und Angaben ist dies nicht abzuleiten. Möglicherweise wird der Basisfaktor als eine Größe verstanden, die in Abhängigkeit der Bodenbiologie bzw. deren Aktivität beeinflusst wird. Wenn dies so wäre, hätte dies eine gewisse Ähnlichkeit mit dem in Kap. 4.2 entwickelten Ansatz. In weiteren Vorhaben sollten daher die verschiedenen Wirkungsmechanismen, die impliziert im Modell integriert sind, untersucht werden.

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LS-Faktor Für die LS-Faktoren (Topografie) wurden zunächst weitere Möglichkeiten zur Berücksichtigung unterschiedlicher Hangformen integriert. Zugrunde liegende Gleichungen und der Hanglängenexponent, der das Verhältnis von flächiger zu rillenförmiger Erosion angibt, wurden überarbeitet und in Abhängigkeit verschiedener Größen als auf Tagesbasis variable Parameter berechnet. Der L-Faktor wird täglich auf Basis der Gleichung 10 berechnet.

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